利用細(xì)菌制造出具有超級(jí)能量的碳環(huán)化合物

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國加州理工學(xué)院（Caltech）的研究人員開發(fā)出一種細(xì)菌菌株，它能夠制造小型的但能量密集的碳環(huán)，這些碳環(huán)是制造其他化學(xué)物和材料的有用的起始原料。這些特別難以制備的碳環(huán)如今能夠像釀制啤酒一樣加以“釀造”。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年3月6日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Enzymatic construction of highly strained carbocycles”。

這種細(xì)菌是來自加州理工學(xué)院化學(xué)工程、生物工程與生物化學(xué)教授Frances Arnold實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用Arnold在20世紀(jì)90年代開發(fā)的定向進(jìn)化技術(shù)開發(fā)出來的。這種定向進(jìn)化技術(shù)使得科學(xué)家們能夠快速地、輕松地培育出具有他們所需性狀的細(xì)菌。Arnold實(shí)驗(yàn)室已利用它培育出產(chǎn)生碳-硅鍵和碳-硼鍵的細(xì)菌，這兩種化學(xué)鍵都未在自然界的有機(jī)體中發(fā)現(xiàn)過。利用這種相同的技術(shù)，這些研究人員著手構(gòu)建這些在自然界中很少觀察到的小型碳環(huán)。

在這篇論文中，這些研究人員描述了他們?nèi)绾握T導(dǎo)大腸桿菌細(xì)菌產(chǎn)生雙環(huán)丁烷（bicyclobutane）。雙環(huán)丁烷是一組含有四個(gè)碳原子的化學(xué)物，這些碳原子經(jīng)過排布后形成兩個(gè)共享一個(gè)邊的三角形。

雙環(huán)丁烷是很難制造的，這是因?yàn)樘荚又g的化學(xué)鍵發(fā)生彎曲，發(fā)生彎曲的角度使得它們?cè)馐芎艽蟮膹埩ΑＨ绻p環(huán)丁烷的合成條件不是恰到好處的話，那么讓這些鍵從它們的自然形狀發(fā)生彎曲需要大量的能量并且能夠?qū)е虏恍枰母碑a(chǎn)物產(chǎn)生。但是這種張力讓雙環(huán)丁烷變得非常有用處。這些彎曲的鍵像緊密纏繞的彈簧那樣發(fā)揮作用：它們包含大量的能量，這些能量能夠被用來驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，這就是使得雙環(huán)丁烷成為各種化學(xué)產(chǎn)品（如藥物、農(nóng)用化學(xué)品和材料）的前體。當(dāng)將諸如雙環(huán)丁烷之類的具有張力的分子整合到較大的分子中時(shí)，它們能夠讓這些較大的分子具有一些有趣的性質(zhì)，比如當(dāng)施加外力時(shí)，它們能夠?qū)щ姡@就使得它們潛在地可用于制造對(duì)它們的環(huán)境做出反應(yīng)的智能材料。

不像其他碳環(huán)，如環(huán)己烷和環(huán)戊烷，雙環(huán)丁烷很少在自然界中發(fā)現(xiàn)到。這可能是由于它們的內(nèi)在不穩(wěn)定性或缺乏適合于裝配它們的生物機(jī)器。但是如今，Arnold和她的團(tuán)隊(duì)證實(shí)細(xì)菌能夠經(jīng)過基因重編程后利用簡單的商業(yè)上可獲得的起始材料就可制造雙環(huán)丁烷。

具體而言，論文**作者Kai Chen和他的同事們Xiongyi Huang、Jennifer Kan和Ruijie Zhang采取的方法就是給大腸桿菌導(dǎo)入一種被稱作細(xì)胞色素P450的酶的編碼基因拷貝。Arnold實(shí)驗(yàn)室和其他人之前已通過定向進(jìn)化對(duì)這種酶進(jìn)行基因修飾，制造出小型的含有三個(gè)碳原子的環(huán)狀分子。

這種酶的工作精度也使得這些研究人員能夠高效地制備他們想要的具有張力的環(huán)狀分子，這些環(huán)狀分子具有準(zhǔn)確的構(gòu)象，而且是單手性的。手性（chirality）是分子的一種性質(zhì)，它們可以是“右手性的”或“左手性的”，而且一種手性形式是另一種手性形式的鏡像。這很重要，這是因?yàn)樯飳?duì)于它們使用或產(chǎn)生的分子的“手性”具有選擇性。比如，所有的生物都專門使用右手性的核糖，而且對(duì)許多手性藥用化學(xué)物而言，僅它們的一種手性形式發(fā)揮療效，而它們的另一種手性形式可能是有毒性的。