Аванс, о котором недавно было объявлено в журнале Природа -- использует бактерии для объединения естественных ферментативных реакций с новой для природы реакцией, называемой "реакцией переноса карбена". Эта работа также может однажды помочь сократить промышленные выбросы, поскольку она предлагает устойчивые альтернативы процессам химического производства, которые обычно основаны на ископаемом топливе.

"Что мы показали в этой статье, так это то, что в ходе этой реакции мы можем синтезировать все - от природных ферментов до карбенов - внутри бактериальной клетки. Все, что вам нужно добавить, - это сахар, а клетки сделают все остальное", - сказал Джей Кислинг, главный исследователь исследования и генеральный директор Объединенного института биоэнергетики Министерства энергетики (JBEI).

Карбены - это высокореактивные химические вещества на основе углерода, которые могут быть использованы во множестве различных типов реакций. На протяжении десятилетий ученые стремились использовать карбеновые реакции при производстве топлива и химикатов, а также при разработке и синтезе лекарств.

Но эти карбеновые процессы можно было проводить только небольшими партиями в пробирках, и для проведения реакции требовались дорогостоящие химические вещества.

В новом исследовании исследователи заменили дорогостоящие химические реагенты натуральными продуктами, которые могут быть получены с помощью модифицированного штамма бактерий Стрептомицеты Поскольку бактерии используют сахар для производства химических продуктов посредством клеточного метаболизма, "эта работа позволяет нам проводить химию карбенов без токсичных растворителей или токсичных газов, обычно используемых в химическом синтезе", - сказал первый автор Цзин Хуан, постдокторант лаборатории Беркли в лаборатории Кеслинга. "Этот биологический процесс гораздо более экологичен, чем способ синтеза химических веществ сегодня", - сказал Хуан.

Во время экспериментов в JBEI исследователи наблюдали за сконструированной бактерией, когда она метаболизировала и превращала сахара в предшественник карбена и алкеновый субстрат. Бактерия также экспрессировала эволюционировавший фермент Р450, который использовал эти химические вещества для производства циклопропанов, высокоэнергетических молекул, которые потенциально могут быть использованы в устойчивом производстве новых биологически активных соединений и усовершенствованного биотоплива. "Теперь мы можем проводить эти интересные реакции внутри бактериальной клетки. Клетки производят все реагенты и кофакторы, что означает, что вы можете масштабировать эту реакцию до очень больших масштабов" для массового производства, - сказал Кислинг.

По словам Хуана, привлечение бактерий для синтеза химических веществ также может сыграть важную роль в сокращении выбросов углекислого газа. По данным других исследователей из Лаборатории Беркли, около 50% выбросов парниковых газов приходится на производство химикатов, железа и стали, а также цемента. Ограничение глобального потепления на 1,5 градуса по Цельсию выше доиндустриального уровня потребует серьезного сокращения выбросов парниковых газов вдвое к 2030 году, говорится в недавнем докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата.

Хуан сказал, что, хотя эта полностью интегрированная система может быть предусмотрена для большого количества молекул-доноров карбена и алкеновых субстратов, она еще не готова к коммерциализации.

"Для каждого нового продвижения кто-то должен сделать первый шаг. А в науке могут пройти годы, прежде чем вы добьетесь успеха. Но вы должны продолжать пытаться - мы не можем позволить себе сдаться. Я надеюсь, что наша работа вдохновит других на продолжение поиска более экологичных и устойчивых решений для биопроизводства", - сказал Хуан.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США и Управлением биологических и экологических исследований Министерства энергетики США. Дополнительная поддержка была оказана Национальным научным фондом.