合成生物学领域在工程酵母和细菌方面取得了巨大的成功，以制造化学品——生物燃料、药物、香料，甚至啤酒的啤酒花味——既便宜又更可持续，只用糖作为能源。
然而，该领域受到以下事实的限制，即微生物，即使是从植物或其他动物中引入基因，也只能通过利用自然界的化学反应来制造分子。许多化学和化学工业都专注于通过实验室发明的反应来制造自然界中没有的物质。
加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的合成化学家和合成生物学家之间的合作现已克服了这一障碍，工程细菌可以制造一种迄今为止只能在实验室合成的分子。
虽然细菌大肠杆菌的生物合成产生了一种低价值的物质——而且数量很少——但研究人员可以设计一种微生物来生产自然界中未知的东西，这一事实为生产更广泛的化学品打开了大门研究人员说，来自酵母和细菌发酵。
“这是一种全新的化学合成方式。创造一种有机体的想法可以制造出这种非天然产品，将实验室合成与生物体内的合成生物学相结合——这只是一种从两个不同领域制造有机分子的未来主义方式加州大学伯克利分校化学教授、该研究的四位资深作者之一约翰哈特维格说。
研究结果将于今天(10 月 14 日)在线发表在《自然化学》杂志上。
这一成就可能合著者Aindrila Mukhopadhyay说，这极大地扩展了合成生物学的应用，这是一种为消费者和工业制造化学品的更环保、更可持续的方式，加州埃默里维尔联合生物能源研究所 (JBEI)的伯克利实验室高级科学家兼生物燃料和生物产品部副总裁。
“现在我们的生活非常需要可持续材料，这些材料不会影响环境。这项技术为具有可再生生产的理想特性的燃料以及新抗生素、新营养保健品开辟了可能性，仅使用生物学或仅使用化学来制造新化合物将极具挑战性，”她说。“我认为这就是它的真正力量——它扩大了我们可以解决的分子范围。我们真的需要颠覆性的新技术，这绝对是其中之一。”
金属催化剂与天然酶的杂交
有机化学领域的 Henry Rapoport 主席 Hartwig 将金属催化剂嵌入天然酶中以制造所谓的人工金属酶，该酶可以合成实验室中难以通过其他方式制造的化学物质。他和他的实验室在过去六年中研究的这些系统的一个反应是将环丙烷——一个由三个碳原子组成的环——结合到其他分子中。这种环丙烷化的化学品在药物中变得越来越有用，例如治疗丙型肝炎感染的药物。
他和加州大学伯克利分校的研究生刘振南创造了一种金属酶，它是一种天然酶 P450 和金属铱的混合物——广泛用于体内，特别是在肝脏中，以氧化化合物。P450 自然地结合了一种称为血红素的辅因子——也是在血液中运输氧气的血红蛋白分子的核心——它自然含有一个金属原子，铁。
Hartwig 的实验室将铁换成铱，产生了一种金属酶，它在试管中成功地将环丙烷——通过将第三个碳粘在碳-碳双键上——添加到其他有机分子中。铱基金属酶具有立体特异性——也就是说，它生成一个环丙烷化分子，但不是它的镜像，后者在体内的行为会有所不同。
然后，他们与伯克利实验室的博士后研究员 Jing Huang、Mukhopadhyay 实验室的合成生物学家和加州大学伯克利分校化学和生物分子工程教授、伯克利实验室高级教师科学家兼 JBEI 首席执行官Jay Keasling合作，看看他们是否可以合并将含铱的血红素转化为活大肠杆菌细胞内的 P450 酶，并使细菌能够在细胞内完全制造环丙烷化分子。
他们与加州大学伯克利分校的研究生 Brandon Bloomer 合作，找到了一种将含有铱的血红素分子转运到大肠杆菌中的方法，在大肠杆菌中，添加到细菌生长培养基中的大部分铱被纳入 P450 酶中。
然后合成生物学家平衡了细菌的新陈代谢，以便他们可以在活细菌培养物中生产最终产品——环丙烷化柠檬烯。
“该产品是一种相对简单的分子，但这项工作证明了将生物合成和化学合成结合起来制造生物体以前从未制造过的分子的潜力，大自然从未制造过的分子，”哈特维格说。
Mukhopadhyay 说，将其他金属酶加入细菌中可能会改变微生物生产以制造药物以及可持续燃料方面的游戏规则。
“今天，许多药物是从难以培养并对环境产生负面影响的植物中费力提取的。能够在实验室中使用生物技术可靠地制造这些化合物将真正解决很多这些问题，”她说。
这不仅适用于制造“药物，还适用于聚合物、可再生塑料、生物燃料、建筑材料的前体，以及我们今天使用的所有事物，从洗涤剂到润滑剂、油漆、颜料到织物，”她补充道。“一切都可以以生物方式制造。但挑战在于开发可持续的可再生途径。所以在这里，我们已经朝着它迈出了相当大的一步，我们已经能够证明细胞内的人工化学物质，一个活生生的培养细胞，这在本质上是可扩展的。
哈特维格同意。
哈特维格说：“更大的观点是能够创造有机体，制造将自然化学与实验室化学相结合的非天然产品。”“但是实验室化学现在会发生在细胞内部。如果我们能以一般的方式做到这一点，我们就可以设计生物体来制造各种药物、农用化学品甚至商品化学品，如聚合物单体，这将利用发酵和生物催化的效率和选择性。”
