Исследователи под руководством Кеничиро Итами из Института новаторских исследований RIKEN (PRI) / Центра научных исследований устойчивых ресурсов RIKEN (CSRS) успешно использовали насекомых в качестве мини-фабрик по производству молекул. Это стало прорывом в области химического машиностроения.
Техника «in-insect synthesis»
Этот метод предлагает новый способ создания и модификации сложных молекул, что откроет новые возможности для обнаружения, разработки и применения ненатуральных молекул, таких как наноуглероды.
Молекулярные наноуглероды — это сверхмаленькие структуры, полностью состоящие из атомов углерода. Несмотря на крошечный размер, они могут быть механически прочными, проводить электричество и даже излучать флуоресцентный свет. Эти свойства делают их идеальными для использования в аэрокосмической промышленности, лёгких батареях и передовой электронике.
Однако точность, необходимая для производства этих крошечных структур, остаётся серьёзным препятствием для их широкого применения. Традиционные лабораторные методы сталкиваются с трудностями при точной манипуляции, необходимой для сборки этих сложных молекул атом за атомом, а их определённые формы затрудняют модификацию без нарушения целостности.
«Наша команда проводила исследования молекулярных наноуглеродов, но параллельно мы также разработали молекулы, которые действуют на млекопитающих и растения, — говорит Итами. — И вдруг мы задумались: что произойдёт, если мы скормим наноуглероды насекомым?»
Биологическая основа
Идея, кажущаяся странной, основана на биологии. Насекомые, особенно травоядные, такие как кузнечики и гусеницы, развили сложные системы в кишечнике для расщепления чужеродных веществ, таких как растительные токсины и пестициды. Эти метаболические процессы зависят от ферментов, способных к сложным химическим превращениям.
Исследователи из RIKEN предположили, что насекомые могут служить живыми химическими фабриками, выполняя те виды химических модификаций наноуглеродов, которые трудно воспроизвести в лаборатории.
Чтобы проверить свою концепцию, команда накормила гусениц табачного бражника — распространённых сельскохозяйственных вредителей с хорошо изученными метаболическими путями — диетой, содержащей ленточный молекулярный наноуглерод, известный как [6]MCPP.
Через два дня анализ фекалий гусениц выявил новую молекулу — [6]MCPP-оксилен, которая представляет собой [6]MCPP с включенным атомом кислорода. Это незначительное изменение привело к тому, что молекула стала флуоресцентной.
Используя такие методы, как масс-спектрометрия, ЯМР и рентгеновская кристаллография, исследователи определили структуру [6]MCPP-оксилена. Эксперименты с молекулярной биологией позволили определить два фермента, CYP X2 и X3, ответственные за трансформацию. Дальнейший генетический анализ подтвердил, что эти ферменты необходимы для протекания реакции.
Компьютерные симуляции показали, что эти ферменты могут одновременно связывать две молекулы [6]MCPP-оксилена и напрямую вставлять атом кислорода в углерод-углеродную связь — редкое и ранее не наблюдавшееся явление.
«Чрезвычайно сложно воспроизвести химические реакции, происходящие внутри насекомых, в лабораторных условиях, — объясняет Итами. — Лабораторные попытки провести эту окислительную реакцию потерпели неудачу или дали очень низкий выход».
Новое направление в материаловедении
Работа, основанная на философии PRI, открывает новое направление в материаловедении: создание функциональных молекул с использованием насекомых. Переход от традиционных пробирок к биологическим системам — ферментам, микробам или насекомым — позволит создавать сложные наномолекулы.
Помимо светящихся молекулярных наноуглеродов, с помощью таких инструментов, как редактирование генома и направленная эволюция, синтез с помощью насекомых может быть применён к широкому спектру молекул и функций, создавая связи между органической химией и синтетической биологией.
«Табачный бражник — печально известный сельскохозяйственный вредитель из-за своего быстрого жизненного цикла и исключительной способности метаболизировать пестициды, что принесло им репутацию глобальных злодеев в отрасли защиты сельскохозяйственных культур», — говорит Итами. «И всё же мы считаем поистине увлекательным то, что в нашем проекте эти самые моли взяли на себя неожиданную роль — не как противников, а как маловероятных героев».
Предоставлено RIKEN