制造“疯狂碳环”！Frances Arnold团队不到半年再次问鼎《Science》

　　

高能碳环是制造化学材料的有用原料，但是，这类微小结构的制备极为困难，如今在生物技术的推动下，这种重要化工原材料的生产仅需利用微生物发酵工艺便能轻松实现。不到两年，Arnold教授团队接二连三发表《Science》、《Nature》，他们正在用实力向世界宣告：这仅仅是个开始！

Frances Arnold教授（左）

双环丁烷（bicyclobutanes）是一种很难制备的有机化合物。不在一个平面上的4个碳原子之间键的弯折角度使其处于巨大压力，如果弯曲键的天然构型会产生大量能量。充沛能量使双环丁烷非常有用，弯曲的键如紧紧缠绕的弹簧，能驱动化学反应，让双环丁烷成为多种化工产品（包括医药、农药和材料等）的有用前体。除此之外，当这种有张力的环状物被混入大分子内，它们还能赋予分子许多有趣的性质，例如仅在承压后方可导电，这种特性使其成为感应周围环境的智能材料。

与环己烷和环戊烷等碳环不同，可能是由于它们的天生不稳定型或缺乏合适的生物装配机制，双环丁烷很少存在于自然界。至于人工合成，如果合成条件不正确，极容易导致不需要的副产品。

加州理工大学化学工程、生物工程和生物化学Linus Pauling教授Frances Arnold课题组利用Arnold在1990s开发的定向进化技术，首次创建出了可以生产双环丁烷的工程大肠杆菌。

定向进化技术使科学家们得以快速培育特定细菌，Arnold实验室曾利用它创造了生产碳-硅键和碳-硼键的细菌，这两种键并不存在于自然界，任何生物都不生产。运用相同技术，Arnold实验室又创造了一项新奇迹。

Arnold 说：“细菌可以代替人工，生产富含能量的有机结构，伴随实验室进化酶的诞生，化学家很难做到的事，微生物都能精确搭建。”

“让我们感到惊讶的是，人工设计的酶竟然能在如此温和的环境下制造出蕴藏巨大能量的疯狂碳环，”文章一作、华人研究生Kai Chen说。“有史以来，我们首次实现了在细菌中引入非天然途径制备高能结构。”

Chen和他的同事，博后研究员Xiongyi Huang、Jennifer Kan以及研究生Ruijie Zhang等人为细菌安装了一个拷贝的细胞色素 P450（cytochrome P450）基因，该基因的编码蛋白此前经过定向进化已经具备制造三个碳原子环分子（本质上相当于半个双环丁烷基团）的能力。

“精心设计的良好酶活环境，大大促进了高能分子形成，”Huang说。

在细菌中表达的酶的精确性使研究人员高效地制造出了所需的精确环状、精确构型和单一的手性形式。手性是分子的一种性质，有“左手”和“右手”之分，每一种形式是另一种形式的镜像。因为生物对分子的手性有选择性，所以手性很重要，例如，所有生物都只能使用核糖（DNA骨架）的右旋形式，许多手性药物只其中一种手性上有效，另一种可能有毒。

2种混合手性分子通常难以分离，但是通过改造细菌遗传密码，研究人员可以保证酶仅青睐一种手性产品。

Kan说，他们正在将“化学”推向更“绿色”的方向。

“未来，我们将不再需要化学工厂，像用糖酿酒一样，我们用细菌就能制造我们想要的东西！”Kan说。

延伸阅读：DNA编辑首次实现“硼-碳键”生物制造（合成生物掀起绿色生产新浪潮）

原文检索：Enzymatic construction of highly strained carbocycles

（生物通：伍松）