Le domaine de la biologie synthétique a connu un grand succès en concevant des levures et des bactéries pour fabriquer des produits chimiques - biocarburants, médicaments, parfums, même les saveurs houblonnées de la bière, à moindre coût et de manière plus durable, avec seulement du sucre comme source d'énergie.

Encore, le domaine a été limité par le fait que les microbes, même avec des gènes provenant de plantes ou d'autres animaux, ne peut fabriquer des molécules qu'en utilisant les réactions chimiques de la nature. Une grande partie de la chimie et de l'industrie chimique se concentre sur la fabrication de substances qui ne se trouvent pas dans la nature avec des réactions inventées en laboratoire.

Une collaboration entre des chimistes synthétiques et des biologistes synthétiques de l'Université de Californie, Berkeley, et Lawrence Berkeley National Laboratory a maintenant surmonté cet obstacle, bactéries d'ingénierie qui peuvent fabriquer une molécule qui, jusqu'à maintenant, ne peut être synthétisé qu'en laboratoire.

Alors que la biosynthèse dans la bactérie E. coli produisait une substance de faible valeur et en petites quantités, à cela, le fait que les chercheurs puissent concevoir un microbe pour produire quelque chose d'inconnu dans la nature ouvre la porte à la production d'une gamme plus large de produits chimiques à partir de levure et de fermentation bactérienne, les chercheurs ont dit.

"C'est une toute nouvelle façon de faire de la synthèse chimique. L'idée de créer un organisme qui fabrique un produit si peu naturel, qui combine la synthèse de laboratoire avec la biologie synthétique au sein d'un organisme vivant - c'est juste une façon futuriste de fabriquer des molécules organiques à partir de deux domaines scientifiques distincts d'une manière que personne n'a jamais faite auparavant, " dit John Hartwig, professeur de chimie à l'UC Berkeley et l'un des quatre auteurs principaux de l'étude.

Les résultats ont été publiés en ligne aujourd'hui (14 octobre) dans la revue Chimie de la nature .

La réalisation pourrait considérablement étendre les applications de la biologie synthétique, ce qui est plus vert, manière plus durable de fabriquer des produits chimiques pour les consommateurs et l'industrie, a déclaré la co-auteure Aindrila Mukhopadhyay, un scientifique senior du Berkeley Lab et vice-président de la division Biocarburants et bioproduits du Joint BioEnergy Institute (JBEI) à Emeryville, Californie.

« Il y a tellement de besoins dans nos vies en ce moment pour des matériaux durables, des matériaux qui n'auront pas d'impact sur l'environnement. Cette technologie ouvre la voie à des carburants aux propriétés recherchées pouvant être produits de manière renouvelable, ainsi que de nouveaux antibiotiques, nouveaux nutraceutiques, de nouveaux composés qui seraient extrêmement difficiles à fabriquer en utilisant uniquement la biologie ou uniquement la chimie, " dit-elle. " Je pense que c'est le vrai pouvoir de cela - cela élargit la gamme de molécules que nous pouvons traiter. Nous avons vraiment besoin de nouvelles technologies de rupture, et c'est certainement l'un d'entre eux."

Hybridation de catalyseurs métalliques avec des enzymes naturelles

Hartwig, la chaire Henry Rapoport en chimie organique à l'UC Berkeley et un chercheur universitaire principal au Berkeley Lab, intègre des catalyseurs métalliques dans des enzymes naturelles pour fabriquer des métalloenzymes dites artificielles, qui peut synthétiser des produits chimiques difficiles à fabriquer par d'autres moyens en laboratoire. Une réaction de ces systèmes sur laquelle lui et son laboratoire ont travaillé au cours des six dernières années consiste à incorporer un cyclopropane - un anneau de trois atomes de carbone - dans d'autres molécules. Ces produits chimiques cyclopropanés deviennent de plus en plus utiles dans les médicaments, comme un médicament pour guérir les infections à l'hépatite C.

Lui et l'étudiant diplômé de l'UC Berkeley, Zhennan Liu, ont créé une métalloenzyme qui est un hybride d'une enzyme naturelle, P450—largement utilisé dans le corps, en particulier dans le foie, pour oxyder les composés - et l'iridium métallique. Le P450 incorpore naturellement un cofacteur appelé hème, également au cœur de la molécule d'hémoglobine qui transporte l'oxygène dans le sang, qui contient naturellement un atome de métal, fer à repasser.

Changer le fer pour l'iridium, Le laboratoire de Hartwig a généré une métalloenzyme qui, dans des tubes à essai, ajoute avec succès des cyclopropanes - en collant un troisième carbone sur une double liaison carbone-carbone - à d'autres molécules organiques. La métalloenzyme à base d'iridium le fait avec une stéréosélectivité, c'est-à-dire il génère une molécule cyclopropanée, mais pas son image miroir, qui se comporterait différemment dans le corps.

Ils ont ensuite fait équipe avec le boursier postdoctoral de Berkeley Lab, Jing Huang, un biologiste synthétique dans les laboratoires de Mukhopadhyay et Jay Keasling, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'UC Berkeley, chercheur principal au Berkeley Lab et PDG de JBEI, pour voir s'ils pouvaient incorporer l'hème contenant de l'iridium dans les enzymes P450 à l'intérieur des cellules vivantes d'E. coli et donner aux bactéries la capacité de fabriquer des molécules cyclopropanées complètement à l'intérieur de la cellule.

En collaboration avec Brandon Bloomer, étudiant diplômé de l'UC Berkeley, ils ont trouvé un moyen de transporter la molécule d'hème contenant l'iridium dans E. coli, où une majorité de l'iridium ajouté au milieu dans lequel les bactéries se développent s'est incorporée à une enzyme P450.

Les biologistes synthétiques ont ensuite équilibré le métabolisme des bactéries afin qu'elles puissent produire le produit final - un limonène cyclopropané - dans une culture bactérienne vivante.

« Le produit est une molécule relativement simple, mais ce travail démontre le potentiel de combiner biosynthèse et synthèse chimique pour fabriquer des molécules que les organismes n'ont jamais fabriquées auparavant, et la nature n'a jamais été faite auparavant, " a déclaré Hartwig.

Mukhopadhyay a déclaré que l'incorporation d'autres métalloenzymes dans les bactéries pourrait changer la donne en termes de production microbienne pour fabriquer des produits pharmaceutiques, ainsi que des carburants durables.

"Aujourd'hui, de nombreux médicaments sont laborieusement extraits de plantes difficiles à cultiver et ayant un impact négatif sur l'environnement. Être capable de fabriquer ces composés de manière fiable dans un laboratoire utilisant la biotechnologie résoudrait vraiment beaucoup de ces problèmes, " elle a dit.

Cela s'applique à la fabrication « pas seulement des médicaments, mais précurseurs de polymères, plastiques renouvelables, biocarburants, matériaux de construction, toute la gamme des choses que nous utilisons aujourd'hui, des détergents aux lubrifiants aux peintures aux pigments aux tissus, " ajouta-t-elle. " Tout peut être fait biologiquement. Mais le défi réside dans le développement de voies renouvelables durables pour y accéder. Et donc ici, nous avons fait un pas assez important vers cela, où nous avons pu démontrer une chimie artificielle au sein d'une cellule, une cellule vivante cultivée en croissance, qui est intrinsèquement évolutif."

Hartwig est d'accord.

"La vision plus large est de pouvoir créer des organismes qui fabriqueront des produits non naturels qui combinent la chimie de la nature avec la chimie de laboratoire, " dit Hartwig. "Mais la chimie de laboratoire se produirait maintenant à l'intérieur de la cellule. Si nous pouvions le faire de manière générale, nous pourrions concevoir des organismes pour fabriquer toutes sortes de médicaments, agrochimiques et même des produits chimiques de base, comme les monomères pour les polymères, qui profiterait de l'efficacité et de la sélectivité de la fermentation et de la biocatalyse.