這細菌厲害了！科學家培育出能製造微小高能碳環的細菌

加州理工學院的科學家們已經製造出一種細菌，可以製造出小型但充滿能量的碳環，這些碳環是製造其他化學物質和材料的有用材料。這些「戒指」本來是特別難準備的，現在可以像啤酒一樣「釀造」了。這種細菌是由加州理工學院的萊納斯·鮑林化學工程教授、生物工程和生物化學教授弗朗西絲·阿諾德(Frances Arnold)實驗室的研究人員發明，使用了定向進化技術，這是阿諾德在20世紀90年代發明的一種技術。這項技術使科學家能夠快速、輕鬆地培育出他們所渴望的特性。

阿諾德的實驗室以前曾使用過它來發展製造碳硅和碳硼鍵的細菌，而這些細菌在自然界的生物中都沒有發現。利用同樣的技術，他們開始建造自然界中很少見到的微小碳環。細菌現在可以生產出這些多功能、富含能量的有機結構，在新的實驗室進化酶作用下，微生物可以精確地製造出化學家們努力製造的張力環。在本月發表在《科學》(Science)雜誌上的一篇論文中，研究人員描述了他們現在如何將大腸桿菌誘導成雙環丁烷，這是一種含有四個碳原子的化學物質，因此它們形成了兩個共用一個邊的三角形。為了形象化它的形狀，想像一個正方形的紙，它沿著對角線輕微地摺疊。

由於碳原子之間的鍵是彎曲的，使它們承受著巨大的壓力，所以雙環丁烷是很難製造的。將這些鍵從它們的自然形狀上彎曲，需要大量的能量，如果合成條件不正確，就會產生不需要的副產品。但正是這種壓力使自行車變得如此有用。彎曲的化學鍵就像緊緻的彈簧：它們會積聚大量的能量，可以用來驅動化學反應，使雙環丁烷對各種化學產品，如藥物、農藥和材料等產生有用的前驅物。當被拉緊的環(如雙環丁烷)被納入更大的分子中時，它們就能使這些分子具有有趣的特性——例如能夠導電，但只有當外力被應用時才會產生作用——這使得它們在創造對環境敏感的智能材料時具有潛在作用。

不像其他碳環，如環己烯和環戊烷，在自然界中很少發現雙環丁烷。但現在阿諾德和她的團隊已經證明，細菌可以通過基因改造，以從簡單的商業原材料生產雙環丁烷。當大腸桿菌細胞開始「」細菌業務」時，會大量生產雙環丁烷，這個裝置有點像放糖，讓它發酵成酒精。該論文的第一作者、研究生陳凱(音譯)說：讓我們吃驚的是，這種酶可以被設計成在環境條件下有效地製造出如此瘋狂的碳環，這是第一次有人引入非原生細菌途徑來製造這些高能量結構。通過給細菌一份編碼一種叫做細胞色素P450酶的基因的拷貝來完成這項工作。這一酶原是由阿諾德實驗室和其他研究人員通過定向進化而改良，用來製造包含三個碳原子的小環的分子——基本上是一個環丁烷組的一半。

美麗的是，在酶中精心製作了一個明確的活動場所環境，從而大大促進了這些高能分子的形成。細菌酶精確作用也使研究人員能夠高效地製造出他們想要的精確環，精確結構和單一的手性形式。手性是分子的一種性質，它們可以是「右旋」或「左旋」，每一種形式都是另一種的鏡像。這很重要，因為生物對其使用或生產的分子的「手性」是有選擇性的。例如所有生物都只使用糖核糖(DNA的主幹)的右旋形式，而許多手性藥物只在一種構型下有效，另一面可能是有毒的。分子的手性形式很難相互分離，但是通過改變細菌的遺傳密碼，研究人員可以確保酶對一種手性產品更有利。基因的突變調整了酶，從而形成了一種具有高精確度的雙環丁烷。這樣的進步正在推動化學朝著更環保的方向發展。在未來，不需要建造化工廠來生產我們需要改善生活的產品，如果能讓細菌來製造想要的東西，那不是很好嗎？

博科園-科學科普｜參考期刊：Science｜來自：加州理工學院

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