Bilim Adamları Bakteriler ile Yüksek Enerji Karbon Halkaları Oluşturdular
Caltech bilim adamları, diğer kimyasallar ve materyaller oluşturmak için yararlı başlangıç malzemeleri olan küçük ama enerji dolu karbon halkaları oluşturabilen bir bakteri türü yarattılar. Aksi halde özellikle hazırlanması zor olan bu halkalar artık bira ile aynı şekilde “demlenebilmektedir (Brewing)”.
Bakteriler, Arnold tarafından 1990’larda geliştirilen bir teknik olan yönelimli evrimi kullanarak, Caltech’in Kimya Mühendisliği, Biyomühendislik ve Biyokimya Profesörü Linus Paul’un araştırmacıları tarafından yaratıldı. Bu teknik, bilim adamlarının istedikleri özelliklerle hızlı ve kolay bir şekilde bakterileri üretmesini sağlar. Daha önce Arnold’un laboratuarı tarafından, doğal dünyadaki organizmalar arasında bulunmayan karbon-silikon ve karbon-bor bağları oluşturan bakterileri geliştirmek için kullanılmıştır. Aynı tekniği kullanarak, doğada nadiren görülen küçük karbon halkalarını geliştirmeye başladılar.
Arnold, “Bakteriler bu çok yönlü, enerji açısından zengin organik yapıları ortaya çıkarabilir” diyor. “Yeni laboratuarla evrimleşmiş enzimlerle, mikroplar kimyagerlerin yapmaya zorladığı hassas şekilde yapılandırılmış gergin halkalar yapıyorlar.” Şeklini kafanızda canlandırmak için, köşegen boyunca hafifçe kırılan bir kare kağıt hayal edebilirsiniz sevgili okuyucular.
Bicsiklobütan oluşturmak zordur çünkü karbon atomları arasındaki bağlar, onları büyük bir zorlanma altına sokan açılarda bükülür. Bu bağları doğal şekillerinden uzaklaştırarak çok fazla enerji harcar ve eğer sentez koşulları doğru olmazsa istenmeyen yan ürünlere yol açabilir. Ama bu bisiklobütanları bizim için değerli kılan bir yanları vardır, bükülmüş bağlar, sıkıca sarılmış yaylar gibi davranırlar ve kimyasal reaksiyonları yürütmek için çok fazla enerji harcarlar, farmasötikler, zirai kimyasallar ve maddeler gibi çeşitli kimyasal ürünlere bisiklobutanlar yararlı prekürsörler yaparlar. Gergin halkalar -bisiklobütanlar gibi- daha büyük moleküllere dahil edildiğinde, bu molekülleri ilginç özelliklere sahip olabilirler – örneğin, elektrik iletme kabiliyeti, ancak sadece bir dış kuvvet uygulandığında – bu da onlara yanıt veren akıllı materyaller oluşturmak için potansiyel olarak yararlı olarak kabul edilir.
Siklohekzanlar ve siklopentanlar gibi diğer karbon halkalarının aksine, bisiklobütanlar nadiren doğada bulunurlar. Bunun nedeni, kalıtsal kararsızlıkları veya uygulamaları için uygun biyolojik makinelerin bulunmaması olabilir. Ama şimdi, Arnold ve ekibi, bakterilerin basit ticari başlangıç materyallerinden bisiklobutanlar üretmek için genetik olarak yeniden programlanabileceğini gösterdi. E. coli hücreleri bakteriyel keyiflerine göre, bisiklobutan oluştururlar (küçük bir espri). Başlangıçta, reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli olan şekeri koymak ve alkol fermente etmek gibi bir şey düşünün.
Gazetenin başyazarı olan yüksek lisans öğrencisi Kai Chen “Bizim için de sürpriz olan şey, enzimler ortam koşullarında bu çılgın karbon halkalarını verimli bir şekilde üretecek şekilde tasarlanabiliyorlar” diyor. “Bu, yüksek enerjili yapıları oluşturmak için birilerinin bakteri için doğal olmayan bir yolu biz ilk kez burada keşfettik”.
Chen ve meslektaşları, postdocs Xiongyi Huang, Jennifer Kan ve yüksek lisans öğrencisi Ruijie Zhang, bunu bakterilere sitokrom P450 adı verilen bir enzimi kodlayan bir genin kopyasını vererek yaptı. Enzim daha önce Arnold laboratuvarı ve diğerleri tarafından yönlendirilmiş evrimle modifiye edilmiş ve üç karbon atomunun küçük halkalarını içeren moleküllerin (aslında bir bisiklobutan grubunun yarısı) moleküller oluşturmuştu.
Huang, ” Buradaki güzellik, bu yüksek enerjili moleküllerin oluşumunu büyük ölçüde kolaylaştırmak için enzimde iyi tanımlanmış bir aktif ortam ortamının oluşturulmasıdır” diyor.
Bakteriyel enzimlerin işlerini yaptıkları hassasiyet, araştırmacıların istedikleri tam gergin halkaları, hassas bir konfigürasyonda ve tek bir kiral biçimde verimli bir şekilde yönlendirmelerini sağlar. Kiralite, her bir formun diğerinin ayna görüntüsü olduğu “sağ” veya “sol” eli şeklinde olabilen moleküllerin bir özelliğidir. Bu önemlidir çünkü canlılar, kullandıkları veya ürettikleri bir molekülün hangi “elle tutulduğu” konusunda seçicidir. Örneğin, tüm canlılar yalnızca şeker ribozunun (DNA omurgasının) sağ elini kullanan formunu kullanırlar ve birçok kiral farmasötik kimyasallar sadece tek elle kullanımda etkilidir; diğerinde ise zehirli olabilirler.
Bir molekülün kiral formlarının birbirinden ayrılması zordur, fakat bakterilerin genetik kodlarını değiştirerek, araştırmacılar enzimlerin bir kiral ürünü bir diğeri üzerinde desteklediğinden emin olabilirler. Genlerdeki mutasyon, yüksek precisio ile geniş bir aralıkta bisiklobutanlar oluşturmak için enzimler ayarlanabilir.
Kaynak: caltech.edu
