‘In-Insect Synthese’: Caterpillar-fabrieken produceren fluorescerende nanocarbons

Onderzoekers onder leiding van Kenichiro Itami van het Riken Pioneering Research Institute (PRI) / Riken Center for Sustainable Resource Science (CSRS) hebben met succes insecten gebruikt als mini-fabrieken voor het maken van moleculen, die een doorbraak in chemische engineering markeren.

Deze techniek wordt ‘in-in-in-in-insecteren’ genoemd en biedt een nieuwe manier om complexe moleculen te creëren en te wijzigen, die nieuwe kansen zullen genereren voor de ontdekking, ontwikkeling en toepassing van niet-natuurlijke moleculen, zoals nanocarbons.

Moleculaire nanocoolstoffen zijn super-kleine structuren die volledig zijn gemaakt van koolstofatomen. Ondanks hun minuscule grootte kunnen ze mechanisch sterk zijn, elektriciteit leiden en zelfs fluorescerend licht uitstoten. Deze eigenschappen maken ze ideaal voor gebruik in toepassingen zoals ruimtevaartcomponenten, lichtgewicht batterijen en geavanceerde elektronica.

De precisie die nodig is om deze kleine structuren te produceren, blijft echter een belangrijk obstakel voor hun wijdverbreide gebruik. Conventionele laboratoriumtechnieken worstelen met de fijne manipulatie die nodig is om deze complexe moleculen bij het atoom samen te stellen, en hun gedefinieerde vormen maken het vooral moeilijk om ze aan te passen zonder hun integriteit te verstoren.

“Ons team heeft onderzoek gedaan naar moleculaire nanocarbons, maar daarmee hebben we ook moleculen ontwikkeld die op zoogdieren en planten werken”, zegt Itami. “Door die ervaringen vroegen we ons plotseling af – wat zou er gebeuren als we nanocarbons aan insecten zouden voeren?”

Hoe vreemd het idee ook klinkt, het is geworteld in de biologie. Insecten, met name plantetende insecten zoals sprinkhanen en rupsen, hebben geavanceerde systemen in de darm ontwikkeld voor het afbreken van vreemde stoffen zoals plantentoxines en pesticiden. Deze metabole processen zijn afhankelijk van enzymen die in staat zijn tot complexe chemische transformaties.

De Riken -onderzoekers veronderstelden dat insecten als levende chemische fabrieken zouden kunnen dienen, waarbij de soorten chemische aanpassingen aan nanocarbons kunnen worden uitgevoerd die moeilijk te repliceren zijn in het laboratorium.

Om hun concept te testen, voedde het team tabaksnijworm rupsen-gemeenschappelijke agrarische plagen met goed toegewezen metabole routes-een dieet dat een riemvormige moleculaire nanocarbon bevat bekend als bekend als bekend als [6]MCPP.

Twee dagen later onthulde analyse van de rups poep een nieuw molecuul, [6]MCPP-oxyleen, dat is [6]MCPP dat een zuurstofatoom heeft opgenomen. Deze subtiele verandering zorgde ervoor dat het molecuul fluorescerend werd.

Met behulp van technieken zoals massaspectrometrie, NMR en röntgenkristallografie, hebben de onderzoekers bepaald [6]De structuur van MCPP-oxyleen. Experimenten met behulp van moleculaire biologie hebben twee enzymen, CYP X2 en X3, aangegeven als verantwoordelijk voor de transformatie.

Verdere genetische analyses bevestigden dat deze enzymen essentieel zijn om de reactie te laten optreden.

Computersimulaties hebben vastgesteld dat deze enzymen er tegelijkertijd twee konden binden [6]MCPP-oxyleenmoleculen en plaats direct een zuurstofatoom in een koolstof-koolstofbinding-een zeldzaam en eerder niet-waargenomen fenomeen.

“Het is uiterst moeilijk om de chemische reacties in een laboratoriumomgeving in een laboratoriumomgeving te reproduceren,” legt Itami uit. “Lab-gebaseerde pogingen tot deze oxidatiereactie mislukten of hadden zeer lage opbrengsten.”

Trouw aan de filosofie van de PRI, pioneert dit werk een nieuwe richting in de materialenwetenschap: het maken van functionele moleculen met behulp van insecten. De verschuiving van traditionele testbuizen naar biologische systemen – enzymen, microben of insecten – zal de constructie van complexe nanomoleculen mogelijk maken.

Naast gloeiende moleculaire nanokoolwaterstoffen, met hulpmiddelen zoals genoombewerking en gerichte evolutie, zou in-in-insect synthese kunnen worden toegepast op een breed scala van moleculen en functies, waarbij links tussen organische chemie en synthetische biologie worden gesmolten.

“De tabaksnijworm is een beruchte agrarische plaag vanwege de snelle levenscyclus en een uitzonderlijke vermogen om pesticiden te metaboliseren, waardoor ze een reputatie opleveren als wereldwijde schurken in de gewasbeschermingsindustrie”, zegt Itami.

“En toch, wat we echt fascinerend vinden, is dat deze zeer motten in ons project een onverwachte rol hebben opgenomen – niet als tegenstanders, maar als onwaarschijnlijke helden.”