加州理工学院的科学家们已经制造出一种细菌，可以制造出小型但充满能量的碳环，这些碳环是制造其他化学物质和材料的有用材料。这些“戒指”本来是特别难准备的，现在可以像啤酒一样“酿造”了。这种细菌是由加州理工学院的莱纳斯·鲍林化学工程教授、生物工程和生物化学教授弗朗西丝·阿诺德(Frances Arnold)实验室的研究人员发明，使用了定向进化技术，这是阿诺德在20世纪90年代发明的一种技术。这项技术使科学家能够快速、轻松地培育出他们所渴望的特性。
细菌酶和它所创造高能量碳环的描绘，图片：Caltech
阿诺德的实验室以前曾使用过它来发展制造碳硅和碳硼键的细菌，而这些细菌在自然界的生物中都没有发现。利用同样的技术，他们开始建造自然界中很少见到的微小碳环。细菌现在可以生产出这些多功能、富含能量的有机结构，在新的实验室进化酶作用下，微生物可以精确地制造出化学家们努力制造的张力环。在本月发表在《科学》(Science)杂志上的一篇论文中，研究人员描述了他们现在如何将大肠杆菌诱导成双环丁烷，这是一种含有四个碳原子的化学物质，因此它们形成了两个共用一个边的三角形。为了形象化它的形状，想象一个正方形的纸，它沿着对角线轻微地折叠。
由于碳原子之间的键是弯曲的，使它们承受着巨大的压力，所以双环丁烷是很难制造的。将这些键从它们的自然形状上弯曲，需要大量的能量，如果合成条件不正确，就会产生不需要的副产品。但正是这种压力使自行车变得如此有用。弯曲的化学键就像紧致的弹簧：它们会积聚大量的能量，可以用来驱动化学反应，使双环丁烷对各种化学产品，如药物、农药和材料等产生有用的前驱物。当被拉紧的环(如双环丁烷)被纳入更大的分子中时，它们就能使这些分子具有有趣的特性——例如能够导电，但只有当外力被应用时才会产生作用——这使得它们在创造对环境敏感的智能材料时具有潜在作用。
不像其他碳环，如环己烯和环戊烷，在自然界中很少发现双环丁烷。但现在阿诺德和她的团队已经证明，细菌可以通过基因改造，以从简单的商业原材料生产双环丁烷。当大肠杆菌细胞开始“”细菌业务”时，会大量生产双环丁烷，这个装置有点像放糖，让它发酵成酒精。该论文的第一作者、研究生陈凯(音译)说：让我们吃惊的是，这种酶可以被设计成在环境条件下有效地制造出如此疯狂的碳环，这是第一次有人引入非原生细菌途径来制造这些高能量结构。通过给细菌一份编码一种叫做细胞色素P450酶的基因的拷贝来完成这项工作。这一酶原是由阿诺德实验室和其他研究人员通过定向进化而改良，用来制造包含三个碳原子的小环的分子——基本上是一个环丁烷组的一半。
美丽的是，在酶中精心制作了一个明确的活动场所环境，从而大大促进了这些高能分子的形成。细菌酶精确作用也使研究人员能够高效地制造出他们想要的精确环，精确结构和单一的手性形式。手性是分子的一种性质，它们可以是“右旋”或“左旋”，每一种形式都是另一种的镜像。这很重要，因为生物对其使用或生产的分子的“手性”是有选择性的。例如所有生物都只使用糖核糖(DNA的主干)的右旋形式，而许多手性药物只在一种构型下有效，另一面可能是有毒的。分子的手性形式很难相互分离，但是通过改变细菌的遗传密码，研究人员可以确保酶对一种手性产品更有利。基因的突变调整了酶，从而形成了一种具有高精确度的双环丁烷。这样的进步正在推动化学朝着更环保的方向发展。在未来，不需要建造化工厂来生产我们需要改善生活的产品，如果能让细菌来制造想要的东西，那不是很好吗？
博科园-科学科普｜参考期刊：Science｜来自：加州理工学院
