Gli scienziati del Caltech hanno creato un ceppo di batteri in grado di creare anelli di carbonio piccoli ma ricchi di energia che sono utili materiali di partenza per la creazione di altri prodotti chimici e materiali. Questi anelli, altrimenti particolarmente difficili da preparare, ora può essere "prodotto" più o meno allo stesso modo della birra.

I batteri sono stati creati dai ricercatori nel laboratorio di Frances Arnold, Linus Pauling Professore di ingegneria chimica del Caltech, Bioingegneria e Biochimica, usando l'evoluzione diretta, una tecnica sviluppata da Arnold negli anni '90. La tecnica consente agli scienziati di allevare rapidamente e facilmente batteri con i tratti che desiderano. È stato precedentemente utilizzato dal laboratorio di Arnold per far evolvere batteri che creano legami carbonio-silicio e carbonio-boro, nessuno dei quali si trova tra gli organismi nel mondo naturale. Usando questa stessa tecnica, hanno deciso di costruire i minuscoli anelli di carbonio raramente visti in natura.

"I batteri ora possono sfornare questi versatili, strutture organiche ricche di energia, " dice Arnold. "Con i nuovi enzimi evoluti in laboratorio, i microbi creano anelli tesi configurati con precisione che i chimici fanno fatica a realizzare".

In un articolo pubblicato questo mese sulla rivista Scienza , i ricercatori descrivono come hanno ora indotto i batteri Escherichia coli a creare biciclobutani, un gruppo di sostanze chimiche che contengono quattro atomi di carbonio disposti in modo da formare due triangoli che condividono un lato. Per visualizzare la sua forma, immagina un pezzo di carta quadrato leggermente piegato lungo una diagonale.

I biciclobutani sono difficili da produrre perché i legami tra gli atomi di carbonio sono piegati ad angoli che li sottopongono a un grande sforzo. Piegare questi legami dalla loro forma naturale richiede molta energia e può provocare sottoprodotti indesiderati se le condizioni per la loro sintesi non sono giuste. Ma è il ceppo che rende i biciclobutani così utili. I legami piegati agiscono come molle strettamente avvolte:racchiudono molta energia che può essere utilizzata per guidare reazioni chimiche, rendendo i biciclobutani precursori utili per una varietà di prodotti chimici, come i prodotti farmaceutici, prodotti agrochimici, e materiali. Quando anelli tesi, come i biciclobutani, sono incorporati in molecole più grandi, possono conferire a quelle molecole proprietà interessanti, ad esempio la capacità di condurre elettricità ma solo quando viene applicata una forza esterna, rendendoli potenzialmente utili per creare materiali intelligenti che rispondono ai loro ambienti.

A differenza di altri anelli di carbonio, come cicloesani e ciclopentani, i biciclobutani si trovano raramente in natura. Ciò potrebbe essere dovuto alla loro instabilità ereditaria o alla mancanza di adeguati macchinari biologici per il loro assemblaggio. Ma ora, Arnold e il suo team hanno dimostrato che i batteri possono essere riprogrammati geneticamente per produrre biciclobutani da semplici materiali di partenza commerciali. Mentre le cellule di E. coli svolgono la loro attività batterica, producono biciclobutani. L'installazione è un po' come mettere lo zucchero e lasciarlo fermentare nell'alcol.

"Con nostra sorpresa, gli enzimi possono essere progettati per creare in modo efficiente anelli di carbonio così folli in condizioni ambientali, "dice lo studente laureato Kai Chen, autore principale della carta. "Questa è la prima volta che qualcuno ha introdotto un percorso non nativo per i batteri per forgiare queste strutture ad alta energia".

Chen e i suoi colleghi, postdoc Xiongyi Huang, Jennifer Kan, e lo studente laureato Ruijie Zhang, ha fatto questo dando ai batteri una copia di un gene che codifica per un enzima chiamato citocromo P450. L'enzima era stato precedentemente modificato attraverso l'evoluzione diretta dal laboratorio Arnold e da altri per creare molecole contenenti piccoli anelli di tre atomi di carbonio, essenzialmente la metà di un gruppo biciclobutano.

"La bellezza è che un ambiente di sito attivo ben definito è stato creato nell'enzima per facilitare notevolmente la formazione di queste molecole ad alta energia, " dice Huang.

La precisione con cui gli enzimi batterici svolgono il loro lavoro consente inoltre ai ricercatori di realizzare in modo efficiente gli anelli tesi esatti che desiderano, con una configurazione precisa e in un'unica forma chirale. La chiralità è una proprietà delle molecole in cui possono essere "destrimani" o "sinistri", " con ogni forma che è l'immagine speculare dell'altra. È importante perché gli esseri viventi sono selettivi su quale "mano" di una molecola usano o producono. Ad esempio, tutti gli esseri viventi usano esclusivamente la forma destrorsa dello zucchero ribosio (la spina dorsale del DNA), e molte sostanze chimiche farmaceutiche chirali sono efficaci solo con una mano; nell'altro, possono essere tossici.

Le forme chirali di una molecola sono difficili da separare l'una dall'altra, ma modificando il codice genetico dei batteri, i ricercatori possono garantire che gli enzimi favoriscano un prodotto chirale rispetto a un altro. La mutazione nei geni ha sintonizzato gli enzimi per creare un'ampia gamma di biciclobutani con elevata precisione.

Kan afferma che progressi come il loro stanno spingendo la chimica in una direzione più ecologica.

"Nel futuro, invece di costruire impianti chimici per realizzare i prodotti di cui abbiamo bisogno per migliorare la vita, non sarebbe fantastico se potessimo semplicemente programmare i batteri per fare ciò che vogliamo?" dice Kan.

La carta, intitolato "Costruzione enzimatica di carbocicli altamente sollecitati, " appare nel numero del 5 aprile di Scienza .