在一项新的研究中，来自美国加州理工学院（Caltech）的研究人员开发出一种细菌菌株，它能够制造小型的但能量密集的碳环，这些碳环是制造其他化学物和材料的有用的起始原料。这些特别难以制备的碳环如今能够像酿制啤酒一样加以“酿造”。相关研究结果发表在2018年3月6日的Science期刊上，论文标题为“Enzymatic construction of highly strained carbocycles”。

这种细菌是来自加州理工学院化学工程、生物工程与生物化学教授Frances Arnold实验室的研究人员利用Arnold在20世纪90年代开发的定向进化技术开发出来的。这种定向进化技术使得科学家们能够快速地、轻松地培育出具有他们所需性状的细菌。Arnold实验室已利用它培育出产生碳-硅键和碳-硼键的细菌，这两种化学键都未在自然界的有机体中发现过。利用这种相同的技术，这些研究人员着手构建这些在自然界中很少观察到的小型碳环。

在这篇论文中，这些研究人员描述了他们如何诱导大肠杆菌细菌产生双环丁烷（bicyclobutane）。双环丁烷是一组含有四个碳原子的化学物，这些碳原子经过排布后形成两个共享一个边的三角形。

双环丁烷是很难制造的，这是因为碳原子之间的化学键发生弯曲，发生弯曲的角度使得它们遭受很大的张力。如果双环丁烷的合成条件不是恰到好处的话，那么让这些键从它们的自然形状发生弯曲需要大量的能量并且能够导致不需要的副产物产生。但是这种张力让双环丁烷变得非常有用处。这些弯曲的键像紧密缠绕的弹簧那样发挥作用：它们包含大量的能量，这些能量能够被用来驱动化学反应，这就是使得双环丁烷成为各种化学产品（如药物、农用化学品和材料）的前体。当将诸如双环丁烷之类的具有张力的分子整合到较大的分子中时，它们能够让这些较大的分子具有一些有趣的性质，比如当施加外力时，它们能够导电，这就使得它们潜在地可用于制造对它们的环境做出反应的智能材料。

不像其他碳环，如环己烷和环戊烷，双环丁烷很少在自然界中发现到。这可能是由于它们的内在不稳定性或缺乏适合于装配它们的生物机器。但是如今，Arnold和她的团队证实细菌能够经过基因重编程后利用简单的商业上可获得的起始材料就可制造双环丁烷。

具体而言，论文第一作者Kai Chen和他的同事们Xiongyi Huang、Jennifer Kan和Ruijie Zhang采取的方法就是给大肠杆菌导入一种被称作细胞色素P450的酶的编码基因拷贝。Arnold实验室和其他人之前已通过定向进化对这种酶进行基因修饰，制造出小型的含有三个碳原子的环状分子。

这种酶的工作精度也使得这些研究人员能够高效地制备他们想要的具有张力的环状分子，这些环状分子具有准确的构象，而且是单手性的。手性（chirality）是分子的一种性质，它们可以是“右手性的”或“左手性的”，而且一种手性形式是另一种手性形式的镜像。这很重要，这是因为生物对于它们使用或产生的分子的“手性”具有选择性。比如，所有的生物都专门使用右手性的核糖，而且对许多手性药用化学物而言，仅它们的一种手性形式发挥疗效，而它们的另一种手性形式可能是有毒性的。