Les scientifiques de Caltech ont créé une souche de bactéries qui peuvent fabriquer des anneaux de carbone petits mais riches en énergie qui sont des matériaux de départ utiles pour créer d'autres produits chimiques et matériaux. Ces anneaux, qui sont par ailleurs particulièrement difficiles à préparer, peut maintenant être "brassée" de la même manière que la bière.

Les bactéries ont été créées par des chercheurs du laboratoire de Frances Arnold, Professeur Linus Pauling de Caltech en génie chimique, Bio-ingénierie et biochimie, en utilisant l'évolution dirigée, une technique qu'Arnold a développée dans les années 1990. La technique permet aux scientifiques de reproduire rapidement et facilement des bactéries avec les caractéristiques qu'ils désirent. Il a déjà été utilisé par le laboratoire d'Arnold pour développer des bactéries qui créent des liaisons carbone-silicium et carbone-bore, ni l'un ni l'autre ne se trouve parmi les organismes du monde naturel. En utilisant cette même technique, ils ont entrepris de construire les minuscules anneaux de carbone rarement vus dans la nature.

« Les bactéries peuvent désormais produire ces produits polyvalents, structures organiques riches en énergie, ", dit Arnold. "Avec de nouvelles enzymes développées en laboratoire, les microbes fabriquent des anneaux tendus configurés avec précision que les chimistes ont du mal à fabriquer. »

Dans un article publié ce mois-ci dans la revue Science , les chercheurs décrivent comment ils ont maintenant incité les bactéries Escherichia coli à créer des bicyclobutanes, un groupe de produits chimiques qui contiennent quatre atomes de carbone disposés de manière à former deux triangles partageant un côté. Pour visualiser sa forme, imaginez un morceau de papier carré légèrement froissé le long d'une diagonale.

Les bicyclobutanes sont difficiles à fabriquer car les liaisons entre les atomes de carbone sont courbées à des angles qui les soumettent à de fortes contraintes. Déformer ces liaisons de leur forme naturelle demande beaucoup d'énergie et peut entraîner des sous-produits indésirables si les conditions de leur synthèse ne sont pas réunies. Mais c'est la souche qui rend les bicyclobutanes si utiles. Les liaisons courbées agissent comme des ressorts enroulés serrés :elles contiennent beaucoup d'énergie qui peut être utilisée pour entraîner des réactions chimiques, faire des bicyclobutanes des précurseurs utiles à une variété de produits chimiques, comme les produits pharmaceutiques, agrochimiques, et matériaux. Quand les anneaux tendus, comme les bicyclobutanes, sont incorporés dans des molécules plus grosses, ils peuvent imprégner ces molécules de propriétés intéressantes, par exemple, la capacité de conduire l'électricité, mais uniquement lorsqu'une force externe est appliquée, ce qui les rend potentiellement utiles pour créer des matériaux intelligents qui répondent à leurs environnements.

Contrairement aux autres anneaux en carbone, tels que les cyclohexanes et les cyclopentanes, les bicyclobutanes sont rarement trouvés dans la nature. Cela pourrait être dû à leur instabilité héréditaire ou au manque de machineries biologiques appropriées pour leur assemblage. Mais maintenant, Arnold et son équipe ont montré que les bactéries peuvent être reprogrammées génétiquement pour produire des bicyclobutanes à partir de matières premières commerciales simples. Pendant que les cellules d'E. coli vaquent à leurs occupations bactériennes, ils produisent des bicyclobutanes. La configuration est un peu comme mettre du sucre et le laisser fermenter en alcool.

"À notre surprise, les enzymes peuvent être conçues pour fabriquer efficacement de tels anneaux de carbone fous dans des conditions ambiantes, " dit l'étudiant diplômé Kai Chen, auteur principal sur le papier. "C'est la première fois que quelqu'un introduit une voie non native permettant aux bactéries de forger ces structures à haute énergie."

Chen et ses collègues, post-doctorants Xiongyi Huang, Jennifer Kan, et étudiant diplômé Ruijie Zhang, l'a fait en donnant à la bactérie une copie d'un gène qui code une enzyme appelée cytochrome P450. L'enzyme avait déjà été modifiée par évolution dirigée par le laboratoire Arnold et d'autres pour créer des molécules contenant de petits anneaux de trois atomes de carbone, essentiellement la moitié d'un groupe bicyclobutane.

"La beauté est qu'un environnement de site actif bien défini a été conçu dans l'enzyme pour faciliter grandement la formation de ces molécules à haute énergie, " dit Huang.

La précision avec laquelle les enzymes bactériennes font leur travail permet également aux chercheurs de fabriquer efficacement les anneaux tendus exacts qu'ils souhaitent, avec une configuration précise et sous une seule forme chirale. La chiralité est une propriété des molécules dans laquelle elles peuvent être « droitières » ou « gauchers, " avec chaque forme étant l'image miroir de l'autre. C'est important parce que les êtres vivants sont sélectifs quant à la " maniabilité " d'une molécule qu'ils utilisent ou produisent. Par exemple, tous les êtres vivants utilisent exclusivement la forme droitière du sucre ribose (l'épine dorsale de l'ADN), et de nombreux produits chimiques chiraux pharmaceutiques ne sont efficaces que d'une seule main; dans l'autre, ils peuvent être toxiques.

Les formes chirales d'une molécule sont difficiles à séparer les unes des autres, mais en changeant le code génétique de la bactérie, les chercheurs peuvent s'assurer que les enzymes favorisent un produit chiral par rapport à un autre. La mutation dans les gènes a réglé les enzymes pour forger une large gamme de bicyclobutanes avec une grande précision.

Kan dit que des progrès comme les leurs poussent la chimie dans une direction plus verte.

"À l'avenir, au lieu de construire des usines chimiques pour fabriquer les produits dont nous avons besoin pour améliorer la vie, ne serait-ce pas génial si nous pouvions simplement programmer des bactéries pour faire ce que nous voulons ?" dit Kan.

Le papier, intitulé "Construction enzymatique de carbocycles hautement tendus, " apparaît dans le numéro du 5 avril de Science .