Los científicos de Caltech han creado una cepa de bacterias que pueden producir anillos de carbono pequeños pero llenos de energía que son materiales de partida útiles para crear otros productos químicos y materiales. Estos anillos que de otro modo son particularmente difíciles de preparar, ahora se puede "elaborar" de la misma manera que la cerveza.

Las bacterias fueron creadas por investigadores en el laboratorio de Frances Arnold, Profesor Linus Pauling de Ingeniería Química de Caltech, Bioingeniería y Bioquímica, usando la evolución dirigida, una técnica que Arnold desarrolló en la década de 1990. La técnica permite a los científicos criar bacterias rápida y fácilmente con los rasgos que desean. Anteriormente, el laboratorio de Arnold lo utilizó para desarrollar bacterias que crean enlaces carbono-silicio y carbono-boro. ninguno de los cuales se encuentra entre los organismos del mundo natural. Usando esta misma técnica, se propusieron construir los diminutos anillos de carbono que rara vez se ven en la naturaleza.

"Las bacterias ahora pueden producir estos versátiles estructuras orgánicas ricas en energía, ", Dice Arnold." Con nuevas enzimas desarrolladas en el laboratorio, los microbios crean anillos tensados ​​configurados con precisión que los químicos luchan por hacer ".

En un artículo publicado este mes en la revista Ciencias , los investigadores describen cómo han persuadido a la bacteria Escherichia coli para que cree biciclobutanos, un grupo de sustancias químicas que contienen cuatro átomos de carbono dispuestos de manera que formen dos triángulos que comparten un lado. Para visualizar su forma, imagina una hoja de papel cuadrada ligeramente arrugada a lo largo de una diagonal.

Los biciclobutanos son difíciles de fabricar porque los enlaces entre los átomos de carbono están doblados en ángulos que los someten a una gran tensión. Doblar estos enlaces de su forma natural requiere mucha energía y puede resultar en subproductos no deseados si las condiciones para su síntesis no son las adecuadas. Pero es la cepa lo que hace que los biciclobutanos sean tan útiles. Los enlaces doblados actúan como resortes herméticamente enrollados:contienen mucha energía que se puede usar para impulsar reacciones químicas, hacer que los biciclobutanos sean precursores útiles para una variedad de productos químicos, como productos farmacéuticos, agroquímicos, y materiales. Cuando anillos tensos, como los biciclobutanos, se incorporan en moléculas más grandes, pueden imbuir esas moléculas con propiedades interesantes, por ejemplo, la capacidad de conducir electricidad, pero solo cuando se aplica una fuerza externa, lo que los hace potencialmente útiles para crear materiales inteligentes que respondan a sus entornos.

A diferencia de otros anillos de carbono, tales como ciclohexanos y ciclopentanos, Los biciclobutanos rara vez se encuentran en la naturaleza. Esto podría deberse a su inestabilidad heredada o la falta de maquinarias biológicas adecuadas para su montaje. Pero ahora, Arnold y su equipo han demostrado que las bacterias pueden reprogramarse genéticamente para producir biciclobutanos a partir de materiales de partida comerciales simples. A medida que las células de E. coli realizan su actividad bacteriana, producen biciclobutanos. La configuración es como poner azúcar y dejar que fermente en alcohol.

"Para nuestra sorpresa, las enzimas se pueden diseñar para hacer de manera eficiente anillos de carbono tan locos en condiciones ambientales, "dice el estudiante de posgrado Kai Chen, autor principal del artículo. "Esta es la primera vez que alguien ha introducido una vía no nativa para que las bacterias forjen estas estructuras de alta energía".

Chen y sus colegas, postdoctorado Xiongyi Huang, Jennifer Kan, y la estudiante de posgrado Ruijie Zhang, hizo esto dándole a la bacteria una copia de un gen que codifica una enzima llamada citocromo P450. La enzima había sido previamente modificada mediante evolución dirigida por el laboratorio de Arnold y otros para crear moléculas que contienen pequeños anillos de tres átomos de carbono, esencialmente la mitad de un grupo biciclobutano.

"La belleza es que se creó un entorno de sitio activo bien definido en la enzima para facilitar en gran medida la formación de estas moléculas de alta energía, "Dice Huang.

La precisión con la que las enzimas bacterianas hacen su trabajo también permite a los investigadores hacer de manera eficiente los anillos tensos exactos que desean. con una configuración precisa y en una única forma quiral. La quiralidad es una propiedad de las moléculas en las que pueden ser "diestras" o "zurdas, "siendo cada forma la imagen especular de la otra. Es importante porque los seres vivos son selectivos en cuanto a qué" lateralidad "de una molécula utilizan o producen. Por ejemplo, todos los seres vivos utilizan exclusivamente la forma derecha de la ribosa de azúcar (la columna vertebral del ADN), y muchos productos químicos farmacéuticos quirales solo son efectivos con una sola mano; en el otro, pueden ser tóxicos.

Las formas quirales de una molécula son difíciles de separar unas de otras, pero al cambiar el código genético de las bacterias, los investigadores pueden asegurarse de que las enzimas favorezcan un producto quiral sobre otro. La mutación en los genes sintonizó las enzimas para forjar una amplia gama de biciclobutanos con alta precisión.

Kan dice que avances como el de ellos están impulsando la química en una dirección más ecológica.

"En el futuro, en lugar de construir plantas químicas para fabricar los productos que necesitamos para mejorar vidas, ¿No sería fantástico si pudiéramos programar las bacterias para que produzcan lo que queremos? ”, dice Kan.

El papel, titulado "Construcción enzimática de carbociclos altamente tensos, "aparece en la edición del 5 de abril de Ciencias .