“昆虫合成”：卡特彼勒工厂生产荧光纳米碳

RIKEN先锋研究所（PRI）/RIKEN可持续资源科学中心（CSRS）的伊丹健一郎领导的研究人员成功地将昆虫用作微型分子制造工厂，标志着化学工程的突破。

这项技术被称为“昆虫合成”，它提供了一种创造和修饰复杂分子的新方法，这将为纳米碳等非天然分子的发现、开发和应用创造新的机会。

分子纳米碳是完全由碳原子组成的超微小结构。尽管它们的尺寸很小，但它们的机械强度很强，可以导电，甚至可以发出荧光。这些特性使其成为航空航天部件、轻质电池和先进电子产品等应用的理想选择。

然而，制造这些微小结构所需的精度仍然是其广泛使用的主要障碍。传统的实验室技术难以实现将这些复杂分子逐个原子地组合在一起所需的精细操作，而它们定义的形状使得在不破坏其完整性的情况下对其进行修改变得特别困难。伊丹说：“我们的团队一直在研究分子纳米碳，但与此同时，我们还开发了作用于哺乳动物和植物的分子。”。“通过这些经历，我们突然想知道——如果我们把纳米碳喂给昆虫，会发生什么？”

尽管这个想法听起来很奇怪，但它植根于生物学。昆虫，特别是蚱蜢和毛毛虫等食草昆虫，已经在肠道中进化出复杂的系统来分解植物毒素和杀虫剂等异物。这些代谢过程依赖于能够进行复杂化学转化的酶。

RIKEN的研究人员假设昆虫可以作为活的化学工厂，对纳米碳进行难以在实验室中复制的化学修饰。

为了验证他们的概念，研究小组给烟草切丝虫毛虫（具有良好代谢途径的常见农业害虫）喂食了一种含有带状分子纳米碳的饮食，称为[6]MCPP。

两天后，对毛毛虫粪便的分析揭示了一种新的分子[6]MCPP氧烯，即[6]已掺入氧原子的MCPP。这种微妙的变化导致分子发出荧光。

研究人员使用质谱、核磁共振和X射线晶体学等技术确定了[6]MCPP氧烯的结构。使用分子生物学的实验确定了两种酶，CYP X2和X3，负责转化。

进一步的遗传分析证实，这些酶对反应的发生至关重要。

计算机模拟发现，这些酶可以同时结合两个[6]MCPP氧烯分子，并将一个氧原子直接插入碳-碳键中，这是一种罕见且以前未观察到的现象。伊丹解释说：“在实验室环境中重现昆虫体内发生的化学反应是极其困难的。”。“基于实验室的这种氧化反应尝试失败或产量非常低。”

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遵循PRI的理念，这项工作开创了材料科学的新方向：利用昆虫制造功能分子。从传统试管到生物系统（酶、微生物或昆虫）的转变将允许构建复杂的纳米分子。

除了发光的分子纳米碳，借助基因组编辑和定向进化等工具，昆虫合成可以应用于广泛的分子和功能，在有机化学和合成生物学之间建立联系。伊丹说：“烟草尺蠖是一种臭名昭著的农业害虫，因为它的生命周期很快，代谢杀虫剂的能力很强，这使它们在作物保护行业被誉为全球恶棍。”。

“然而，我们发现真正有趣的是，在我们的项目中，这些飞蛾扮演了一个意想不到的角色——不是作为对手，而是作为不太可能的英雄。”