O campo da biologia sintética teve grande sucesso na engenharia de leveduras e bactérias para fazer produtos químicos - biocombustíveis, farmacêuticos, fragrâncias, até mesmo os sabores de cerveja com lúpulo - mais barato e mais sustentável, tendo apenas o açúcar como fonte de energia.

Ainda, o campo foi limitado pelo fato de que os micróbios, mesmo com genes provenientes de plantas ou outros animais, só pode fazer moléculas usando as reações químicas da natureza. Grande parte da química e da indústria química está focada em fazer substâncias que não são encontradas na natureza com reações inventadas em laboratório.

Uma colaboração entre químicos sintéticos e biólogos sintéticos da Universidade da Califórnia, Berkeley, e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley agora superou esse obstáculo, bactérias de engenharia que podem fazer uma molécula que, até agora, só poderia ser sintetizado em um laboratório.

Enquanto a biossíntese na bactéria E. coli produziu uma substância de baixo valor - e em pequenas quantidades, com isso, o fato de que os pesquisadores podem projetar um micróbio para produzir algo desconhecido na natureza abre a porta para a produção de uma gama mais ampla de produtos químicos de fermento e fermentação bacteriana, disseram os pesquisadores.

"É uma forma completamente nova de fazer síntese química. A ideia de criar um organismo que torna um produto tão pouco natural, que combina síntese de laboratório com biologia sintética dentro de um organismo vivo - é apenas uma forma futurística de fazer moléculas orgânicas de dois campos separados da ciência de uma forma que ninguém fez antes, "disse John Hartwig, Professor de química da UC Berkeley e um dos quatro autores seniores do estudo.

Os resultados foram publicados online hoje (14 de outubro) no jornal Química da Natureza .

A conquista pode expandir muito as aplicações da biologia sintética, que é mais verde, maneira mais sustentável de fazer produtos químicos para consumidores e indústria, disse a co-autora Aindrila Mukhopadhyay, um cientista sênior do Berkeley Lab e vice-presidente da Divisão de Biocombustíveis e Bioprodutos do Joint BioEnergy Institute (JBEI) em Emeryville, Califórnia.

"Há tanta necessidade em nossas vidas agora por materiais sustentáveis, materiais que não impactam o meio ambiente. Esta tecnologia abre possibilidades para combustíveis com propriedades desejáveis ​​que podem ser produzidos de forma renovável, bem como novos antibióticos, novos nutracêuticos, novos compostos que seriam extremamente desafiadores de fazer usando apenas biologia ou apenas química, "disse ela." Acho que esse é o verdadeiro poder disso - expande a gama de moléculas que podemos abordar. Nós realmente precisamos de novas tecnologias disruptivas, e este é definitivamente um deles. "

Hibridização de catalisadores de metal com enzimas naturais

Hartwig, o Henry Rapoport Chair em Organic Chemistry na UC Berkeley e um cientista sênior do Berkeley Lab, incorpora catalisadores de metal em enzimas naturais para fazer as chamadas metaloenzimas artificiais, que pode sintetizar produtos químicos que são difíceis de fazer por outros meios em laboratório. Uma reação desses sistemas que ele e seu laboratório trabalharam nos últimos seis anos é incorporar um ciclopropano - um anel de três átomos de carbono - em outras moléculas. Esses produtos químicos ciclopropanados estão se tornando cada vez mais úteis em medicamentos, como um medicamento para curar infecções por hepatite C.

Ele e o estudante de graduação da UC Berkeley, Zhennan Liu, criaram uma metaloenzima que é um híbrido de uma enzima natural, P450 - amplamente utilizado no corpo, particularmente no fígado, para oxidar compostos - e o metal irídio. O P450 incorpora naturalmente um cofator chamado heme - também no núcleo da molécula de hemoglobina que transporta oxigênio no sangue - que contém naturalmente um átomo de metal, ferro.

Trocando o ferro por irídio, O laboratório de Hartwig gerou uma metaloenzima que, em tubos de ensaio, adiciona com sucesso ciclopropanos - colando um terceiro carbono em uma ligação dupla carbono-carbono - a outras moléculas orgânicas. A metaloenzima à base de irídio faz isso com estereosseletividade, isto é, ele gera uma molécula ciclopropanada, mas não sua imagem no espelho, que se comportaria de forma diferente no corpo.

Eles então se juntaram ao colega de pós-doutorado do Berkeley Lab, Jing Huang, um biólogo sintético nos laboratórios de Mukhopadhyay e Jay Keasling, Professor de engenharia química e biomolecular da UC Berkeley, cientista sênior do corpo docente do Berkeley Lab e CEO da JBEI, para ver se eles poderiam incorporar o heme contendo irídio às enzimas P450 dentro das células vivas de E. coli e dar às bactérias a capacidade de fazer moléculas ciclopropanadas completamente dentro da célula.

Trabalhando com o estudante de graduação da UC Berkeley, Brandon Bloomer, eles encontraram uma maneira de transportar a molécula heme contendo o irídio em E. coli, onde a maioria do irídio adicionado ao meio em que as bactérias crescem tornou-se incorporado a uma enzima P450.

Os biólogos sintéticos então equilibraram o metabolismo das bactérias para que pudessem produzir o produto final - um limoneno ciclopropanado - em uma cultura bacteriana viva.

“O produto é uma molécula relativamente simples, mas este trabalho demonstra o potencial de combinar biossíntese e síntese química para fazer moléculas que os organismos nunca fizeram antes, e a natureza nunca foi feita antes, "Hartwig disse.

Mukhopadhyay disse que a incorporação de outras metaloenzimas em bactérias pode ser uma virada de jogo em termos de produção microbiana para fazer produtos farmacêuticos, bem como combustíveis sustentáveis.

"Hoje, muitos medicamentos são extraídos laboriosamente de plantas que são difíceis de cultivar e impactam negativamente o meio ambiente. Ser capaz de fazer esses compostos de forma confiável em um laboratório usando biotecnologia realmente resolveria muitos desses problemas, " ela disse.

Isso se aplica a fazer "não apenas medicamentos, mas precursores de polímeros, plásticos renováveis, biocombustíveis, materiais de construção, toda a gama de coisas que usamos hoje, de detergentes a lubrificantes, tintas, pigmentos e tecidos, "ela acrescentou." Tudo pode ser feito biologicamente. Mas o desafio está em desenvolver caminhos renováveis ​​sustentáveis ​​para isso. E então aqui, demos um passo bastante significativo em direção a isso, onde fomos capazes de demonstrar uma química artificial dentro de uma célula, uma célula viva em cultura em crescimento, que é inerentemente escalonável. "

Hartwig concorda.

"A visão mais ampla é ser capaz de criar organismos que farão produtos não naturais que combinam a química da natureza com a química de laboratório, "Hartwig disse." Mas a química do laboratório agora ocorreria dentro da célula. Se pudéssemos fazer isso de uma maneira geral, poderíamos projetar organismos para fazer todos os tipos de drogas, agroquímicos e até mesmo commodities químicas, como monômeros para polímeros, isso tiraria vantagem da eficiência e seletividade da fermentação e biocatálise. "