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人工生物合成范例,伯克利实验室研究人员用工程细菌整合人工酶合成非天然物质

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合成生物学,能利用大肠杆菌生产大宗化工材料,摆脱石油原料的束缚;酵母菌生产青蒿酸和稀有人参皂苷,降低成本,促进新药研发;工程菌不 “误伤” 正常细胞,专一攻击癌细胞;创制载有人工基因组的 “人造细胞”,探究生命进化之路;利用 DNA 储存数据信息并开发生物计算机……

作为科学界的新生力量,合成生物学进展迅速,在各个领域都展现出广阔的应用前景。然而即使是从植物或者其他动物中引入基因,工程菌也只能利用自然界的化学反应来制造分子,这就是与化学工业合成的区别,大部分化学工业合成可以通过实验室来制造自然界中没有的物质。

近日,来自加州大学劳伦斯伯克利国家实验室(隶属于美国能源部的国家实验室,以下简称伯克利实验室)的国际知名有机化学家 John Hartwig 和合成生物学家 Jay Keasling 及相关研究人员合作解决了这一难题,他们研究发现将天然酶和含有铱 - 卟啉复合物人工金属酶通过异源转运系统转运到细胞中可以制造一种迄今为止只能在实验室合成的分子, 这一研究被发表在 Nature Chemistry 上。


图 | 基于称为 P450(灰色结构)的天然酶的人工金属酶

来自伯克利实验室的 John Hartwig 组一直致力于研究将金属催化剂嵌入天然酶中以制造人工金属酶,以解决有些化学物质难以生物合成的问题。

研究指出,John Hartwig 与来自加州大学伯克利学校的一名研究生一起创造出了一种人工金属酶,这是一种含有天然酶 P450 和金属铱的混合物,P450 可以直接结合血红素,血红素是一种在血液中运输氧气的血红蛋白分子,它含有金属原子铁,John Hartwig 组的研究人员将铁换成铱,从而获得这种铱基金属酶,这种酶可以广泛用于体内,特别是在肝脏中,以氧化化合物。

研究人员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整合到 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。


(来源:研究论文)

尽管大肠杆菌的生物合成产生了一种数量很少的低价值物质,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,这是一项重大突破。

“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”,Hartwig 说。

伯克利实验室的合成生物学家 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的游戏规则。这不仅适用于制造药物,还适用于制造聚合物、可再生塑料、生物燃料、建筑材料以及我们今天使用的所有事物的前体,从洗涤剂到润滑剂、油漆、颜料到织物,一切都可以通过生物方式制造,但挑战在于开发可持续的可再生途径。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,它本质上是可扩展的”。

参考资料:

https://news.berkeley.edu/2021/10/14/synthetic-biology-moves-into-the-realm-of-the-unnatural/

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00801-3

-End-

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