La biologie synthétique avance dans le domaine du non naturel


La biologie synthétique avance dans le domaine du non naturel

Une métalloenzyme artificielle basée sur l’enzyme naturelle appelée P450 (structure grise). Les chimistes de l’UC Berkeley ont fabriqué une molécule de Hamming (magenta) avec un atome d’ intégré (rouge) qui a été intégré à E. coli dans P450 pour effectuer une réaction inconnue dans la nature. Crédit photo : UC Berkeley de Brandon Bloomer

Le domaine de la biologie a connu un grand succès dans le développement de levures et de bactéries pour fabriquer des produits chimiques – biocarburants, produits pharmaceutiques, parfums, même les saveurs de houblon de la bière – à moindre coût et de manière plus durable, en utilisant uniquement du sucre comme source d’énergie.

Cependant, le domaine a été limité par le fait que les microbes, même avec des gènes introduits par des plantes ou d’autres animaux, ne peuvent 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 produisent 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 à Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory a désormais surmonté cet obstacle et développé des bactéries capables de produire une molécule qui ne pouvait auparavant être synthétisée qu’en laboratoire.

Alors que la biosynthèse d’E. coli a produit une substance de peu de valeur – et en petites quantités – le fait que les chercheurs aient pu manipuler 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 levures et de fermentation bactérienne. , ont déclaré les chercheurs.

« C’est un tout nouveau type de synthèse chimique. L’idée de créer un organisme qui fabrique un produit aussi artificiel qui combine la synthèse de laboratoire avec la biologie synthétique dans un organisme vivant – c’est juste une façon futuriste de fabriquer des molécules organiques à partir de deux domaines distincts. « La science d’une manière comme jamais auparavant  » a déclaré 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 dans la revue aujourd’hui (14 octobre) Chimie naturelle.

Cette réalisation pourrait considérablement étendre les utilisations de la biologie synthétique, qui est un moyen plus écologique et plus durable de fabriquer des produits chimiques pour les consommateurs et l’industrie, a déclaré la co-auteure Aindrila Mukhopadhyay, scientifique principale au Berkeley Lab et vice-présidente de la division Biocarburants et bioproduits du Joint BioEnergy Institute (JBEI) à Emeryville, Californie.

« Dans nos vies, nous avons tellement besoin de matériaux durables, de matériaux qui ne polluent pas l’environnement. Cette technologie ouvre des opportunités pour des carburants aux propriétés souhaitables qui peuvent être produits de manière renouvelable, ainsi que de nouveaux antibiotiques, de nouveaux nutraceutiques, de nouveaux composés qui seraient extrêmement difficiles à fabriquer avec uniquement de la biologie ou de la chimie », a-t-elle déclaré. Un vrai point fort – il élargit la gamme de molécules que nous pouvons cibler. Nous avons vraiment besoin d’une nouvelle technologie révolutionnaire, et c’est certainement l’une d’entre elles. « 

Hybridation de catalyseurs métalliques avec des enzymes naturelles

Hartwig, titulaire de la chaire Henry Rapoport en chimie organique à l’UC Berkeley et scientifique principal de la faculté au Berkeley Lab, intègre des catalyseurs métalliques dans des enzymes naturelles pour fabriquer des enzymes métalliques artificielles capables de synthétiser des produits chimiques qui se trouvent autrement en laboratoire. Une réaction de ces systèmes, sur laquelle lui et son laboratoire travaillent depuis six ans, est l’incorporation d’un cyclopropane – un cycle de trois atomes de carbone – dans d’autres molécules. Ces produits chimiques cyclopropanés deviennent de plus en plus utiles dans les médicaments, par exemple, les médicaments pour guérir les infections par 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 – qui est largement utilisée dans le corps, en particulier dans le foie, pour oxyder les composés – et l’iridium métallique. Le P450 contient 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, le fer.

En remplaçant le fer par de l’iridium, le laboratoire de Hartwig a généré une métalloenzyme qui attache avec succès les cyclopropanes à d’autres molécules organiques dans des tubes à essai – en attachant un troisième carbone à une double liaison carbone-carbone. La métalloenzyme à base d’iridium le fait avec stéréosélectivité – c’est-à-dire qu’elle crée une molécule cyclopropanée, mais pas son image miroir, qui se comporterait différemment dans le corps.

Ils ont ensuite fait équipe avec Jing Huang, chercheur postdoctoral au Berkeley Lab, biologiste de synthèse dans les laboratoires de Mukhopadhyay, et Jay Keasling, professeur de chimie et de génie biomoléculaire à l’UC Berkeley, scientifique principal au Berkeley Lab et PDG de JBEI pour voir s’ils pouvaient apporter le l’hème contenant de l’iridium en enzymes P450 dans les cellules vivantes d’E. coli et donne aux bactéries la capacité de fabriquer des molécules cyclopropanées entièrement à l’intérieur de la cellule.

En travaillant avec Brandon Bloomer, étudiant diplômé de l’UC Berkeley, ils ont trouvé un moyen de transporter la molécule d’hème qui contient l’iridium dans E. coli, où une grande partie de l’iridium qui a été ajoutée au milieu dans lequel les bactéries ont été trouvées a été incorporée dans un P450 enzyme.

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 montre le potentiel de combiner la biosynthèse et la synthèse chimique pour créer des molécules que les organismes n’ont jamais fabriquées auparavant et que la nature n’a jamais fabriquées auparavant », a déclaré Hartwig.

Mukhopadhyay a déclaré que l’incorporation d’autres métalloenzymes dans les bactéries pourrait transformer la production microbienne utilisée pour fabriquer des produits pharmaceutiques et des carburants durables.

« Aujourd’hui, de nombreux médicaments sont laborieusement extraits de plantes difficiles à cultiver et ayant un impact négatif sur l’environnement. L’utilisation de la biotechnologie pour fabriquer ces composés de manière fiable en laboratoire résoudrait vraiment bon nombre de ces problèmes », a-t-elle déclaré.

Cela s’applique à la production « pas seulement de médicaments, mais de précurseurs de polymères, de plastiques renouvelables, de biocarburants, de matériaux de construction, de toute la gamme des choses que nous utilisons aujourd’hui, des détergents aux lubrifiants en passant par les peintures, les pigments et les tissus », a-t-elle ajouté. « Tout peut être produit de manière biologique. Mais le défi est de développer des voies renouvelables durables. Nous avons donc fait ici un grand pas vers la démonstration d’une chimie artificielle dans une cellule, une .

Hartwig est d’accord.

« La plus grande perspective est de créer des organismes qui fabriquent des produits non naturels qui combinent la chimie de la nature avec la chimie de laboratoire », a déclaré Hartwig. «Mais la chimie de laboratoire aurait désormais lieu à l’intérieur de la cellule. Si nous pouvions faire cela de manière générale, nous pourrions concevoir des organismes pour fabriquer toutes sortes de médicaments, de produits agrochimiques et même de produits chimiques de base comme des monomères pour les polymères qui tirent parti de l’efficacité et de la sélectivité de la fermentation et de la biocatalyse. »


Les scientifiques remplacent le fer dans les protéines musculaires par un métal non biologique


Plus d’information:
Jing Huang et al., Biosynthèse non naturelle par un micro-organisme génétiquement modifié avec des enzymes naturelles exprimées de manière hétérologue et une métalloenzyme artificielle, Chimie naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41557-021-00801-3

Fourni par l’Université de Californie – Berkeley

Citation: La biologie synthétique se déplace dans le royaume de l’anormal (2021, 15 octobre) Récupéré le 15 octobre 2021 de https://phys.org/news/2021-10-synthetic-biology-realm-unnatural.html

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