Bakterie dovedou spojit uhlík s bórem. Kredit: David Chen & Yan Liang (BeautyOfScience.com) for Caltech.

Bakterie jsou mikroskopičtí pracanti. Zvládnou obdivuhodný repertoár chemických reakcí, s jejichž pomocí využívají k obživě velmi rozmanité látky v rozličných prostředích. Ani bakterie, co jich známe v přírodě, ale nedovedou vše. V takovém případě nastupují bioinženýři, kteří mohou bakterie vylepšit, a naučit je věci, v přírodě nevídané.

Frances Arnold. Kredit: Caltech/Frances Arnold Laboratory.

Na Caltechu vylepšili bakterie tak, že mohou vytvořit vazbu mezi uhlíkem a bórem. Něco takového jsme přitom znali jenom z laboratoře. V přírodě zřejmě nic podobného nefunguje. Díky tomuto úspěchu si bioinženýři rozšířili spektrum chemických látek, které teď bakterie mohou vyrobit. Výroba chemikálií v bakteriálních reaktorech přitom může být snadnější a šetrnější vůči životnímu prostředí.

Frances Arnoldová a její spolupracovníci navázali na svůj loňský výzkum, při němž vyvinuli bakterie, schopné navázat uhlík s křemíkem. Ani taková vazba se v přírodě za normálních okolností nevidí. Bioinženýři při těchto experimentech užívají trik zvaný řízená evoluce (directed evolution), kdy při tvorbě nových enzymů s požadovanými vlastnostmi pro bakterie používají postup podobný přírodnímu výběru.

Vylepšený enzym pro stavbu látek s vazbou mezi uhlíkem a bórem. Kredit: Caltech/Frances Arnold Laboratory.

Badatelé se v tomto případě soustředili na specifickou variantu běžného proteinu cytochromu c. Nejprve zmutovali gen zodpovědný za tento protein. Pak ho umístili do bakteriální buňky a sledovali, zda bakterie se zmutovaným cytochromem c dokáže spojit uhlík s bórem. A když to fungovalo, tak gen mutovali dál, aby výsledný protein byl v tvorbě vazby uhlíku s bórem ještě lepší.

Jennifer Kan. Kredit: Caltech/Frances Arnold Laboratory.

Arnoldová a její tým tento postup opakovali mnohokrát za sebou. Vytvořili při tom šest různých verzí potřebného proteinu a testovali je v různých bakteriálních kulturách. Postupně dospěli k bakterii, která je ve tvorbě vazeb mezi uhlíkem a bórem až 400 krát účinnější, než jak to svedou jiné, dnes běžně využívané postupy.

Podle členky badatelského týmu Jennifer Kan je gen pro protein něco jako software nebo návod, který bioinženýři mohou přepsat. Pokud chceme vyrobit něco nového v tradiční chemii, tak jsou nutné velké změny, včetně přípravy nového katalyzátoru. Když požadovanou reakci dělá vylepšená bakterie, tak pro potřebnou změnu reakce postačí upravit její DNA.

Chemické látky obsahující vazby mezi uhlíkem a bórem se dnes využívají k výrobě některých léčiv a dalších chemických produktů. Tým z Caltechu věří, že se svými upravenými bakteriemi mohou provádět klíčové chemické kroky s nižšími finančními náklady a více šetrně k životnímu prostředí.

Arnoldová si pochvaluje, že svým výzkumem vdechli život zcela novému typu biologické reakce. A je to prý jenom začátek. Rýsují se před námi velké věci. Vylepšené bakterie budou vyrábět neuvěřitelné produkty s velmi rozmanitým využitím.

Video:   Frances Arnold: Innovation by Evolution: The Expanding Enzyme Universe


Video:  Caltech Professor Becomes 1st Woman to Win Prestigious $1.1M Millennium Technology Prize


Literatura
Caltech 29. 11. 2017, Nature online 29. 11. 2017.