利用細菌制造出具有超級能量的碳環化合物

在一項新的研究中，來自美國加州理工學院（Caltech）的研究人員開發出一種細菌菌株，它能夠制造小型的但能量密集的碳環，這些碳環是制造其他化學物和材料的有用的起始原料。這些特別難以制備的碳環如今能夠像釀制啤酒一樣加以“釀造”。相關研究結果發表在2018年3月6日的Science期刊上，論文標題為“Enzymatic construction of highly strained carbocycles”。

這種細菌是來自加州理工學院化學工程、生物工程與生物化學教授Frances Arnold實驗室的研究人員利用Arnold在20世紀90年代開發的定向進化技術開發出來的。這種定向進化技術使得科學家們能夠快速地、輕松地培育出具有他們所需性狀的細菌。Arnold實驗室已利用它培育出產生碳-硅鍵和碳-硼鍵的細菌，這兩種化學鍵都未在自然界的有機體中發現過。利用這種相同的技術，這些研究人員著手構建這些在自然界中很少觀察到的小型碳環。

在這篇論文中，這些研究人員描述了他們如何誘導大腸桿菌細菌產生雙環丁烷（bicyclobutane）。雙環丁烷是一組含有四個碳原子的化學物，這些碳原子經過排布后形成兩個共享一個邊的三角形。

雙環丁烷是很難制造的，這是因為碳原子之間的化學鍵發生彎曲，發生彎曲的角度使得它們遭受很大的張力。如果雙環丁烷的合成條件不是恰到好處的話，那么讓這些鍵從它們的自然形狀發生彎曲需要大量的能量并且能夠導致不需要的副產物產生。但是這種張力讓雙環丁烷變得非常有用處。這些彎曲的鍵像緊密纏繞的彈簧那樣發揮作用：它們包含大量的能量，這些能量能夠被用來驅動化學反應，這就是使得雙環丁烷成為各種化學產品（如藥物、農用化學品和材料）的前體。當將諸如雙環丁烷之類的具有張力的分子整合到較大的分子中時，它們能夠讓這些較大的分子具有一些有趣的性質，比如當施加外力時，它們能夠導電，這就使得它們潛在地可用于制造對它們的環境做出反應的智能材料。

不像其他碳環，如環己烷和環戊烷，雙環丁烷很少在自然界中發現到。這可能是由于它們的內在不穩定性或缺乏適合于裝配它們的生物機器。但是如今，Arnold和她的團隊證實細菌能夠經過基因重編程后利用簡單的商業上可獲得的起始材料就可制造雙環丁烷。

具體而言，論文**作者Kai Chen和他的同事們Xiongyi Huang、Jennifer Kan和Ruijie Zhang采取的方法就是給大腸桿菌導入一種被稱作細胞色素P450的酶的編碼基因拷貝。Arnold實驗室和其他人之前已通過定向進化對這種酶進行基因修飾，制造出小型的含有三個碳原子的環狀分子。

這種酶的工作精度也使得這些研究人員能夠高效地制備他們想要的具有張力的環狀分子，這些環狀分子具有準確的構象，而且是單手性的。手性（chirality）是分子的一種性質，它們可以是“右手性的”或“左手性的”，而且一種手性形式是另一種手性形式的鏡像。這很重要，這是因為生物對于它們使用或產生的分子的“手性”具有選擇性。比如，所有的生物都專門使用右手性的核糖，而且對許多手性藥用化學物而言，僅它們的一種手性形式發揮療效，而它們的另一種手性形式可能是有毒性的。