Клеточный фермент — катализатор для создания кремнийорганики

Жизнь на основе кремния
Жизнь на основе кремния — пока только в фантазиях писателей и художников. Но создание связей между углеродом и кремнием в живой клетке возможно и может быть полезно.

Живые организмы, если их должным образом изменить, оказываются способными создавать кремний-углеродные связи, не встречающиеся в природе. Учёные из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology; Caltech) модифицировали бактерии, чтобы они производили продукт, ранее доступный только как результат работы химической лаборатории.

Вещества, в молекулах которых имеется связь между атомами кремния и углерода — кремнийорганические соединения используются в фармацевтике и многих других областях, в том числе производстве сельскохозяйственных химикатов, красок, полупроводников и компьютерных и телевизионных экранов. В настоящее время все эти продукты производятся синтетически, поскольку кремний-углеродные связи не встречаются в природе.

Но теперь исследование показывает, что для производства кремнийорганических соединений могут быть созданы биохимические технологии, менее опасные и дорогостоящие, чем существующие.

«Мы решили убедить природу делать то, что могут делать только химики — только лучше», — говорит Фрэнсис Арнольд (Frances Arnold), руководительница исследования, материалы о котором опубликованы в журнале Science в ноябре.

Данное исследование впервые показывает, что живые организмы могут приспособиться к окружающей среде таким образом, что кремний будет использован в их биохимии, соединившись с молекулами на основе углерода.

Об альтернативе знакомой нам формы жизни, где кремний мог бы выполнять ту же роль, что углерод, учёные задумались довольно давно. Углерод и кремний химически во многом похожи. Оба элемента могут образовывать связи с четырьмя атомами одновременно, что делает их подходящими для формирования длинных цепочек молекул, необходимых для развития жизни. В случае углерода мы знаем эти большие молекулы как белки и ДНК.

Фрэнсис Арнольд
Фрэнсис Арнольд.

«Никакой живой организм, как известно, не создаёт кремний-углеродных связей, хотя кремния так много вокруг, это всё вокруг нас, камни и песок на пляже», — отмечает Дженнифер Кан (Jennifer Kan), ведущий автор исследования. Действительно, кремний является вторым (после кислорода) наиболее распространённым элементом в земной коре.

Исследователи использовали в работе метод направленной эволюции, разработанный Фрэнсис Арнольд в начале 1990-х годов, при котором новые и лучшие ферменты создаются в лаборатории через искусственный отбор. Это похоже на то, как селекционеры выводят сорта кукурузы, породы коров или кошек. Ферменты — класс белков, которые катализируют химические реакции. Направленный процесс эволюции начинается с выбора фермента, который учёные хотят изменить. Мутации ДНК, кодирующей производство ферментов более или менее случайны, но в процессе работа ферментов изучаются и отбираются организмы, у которых мутация идёт по желаемому пути. Отобранные — мутируют дальше, процесс повторяется до тех пор, пока нужный фермент не начинает работать так, как было запланировано.

Метод работает. Направленная эволюция позволила разработать методы производства ферментов для бытовой химии, для изготовления фармацевтических препаратов, сельскохозяйственных химикатов и топлива.

Но в новом исследовании целью было не просто улучшить биологическую функцию фермента, а подтолкнуть его к тому, чего он не делал раньше. Первой большой задачей стал поиск подходящего кандидата, фермента, имеющего потенциал для создания кремний-углеродных связей.

«Это как племенная лошадь, — говорит Фрэнсис Арнольд. — Хороший заводчик замечает врождённую способность лошади быть победителем на скачках и передать это последующим поколениям. Мы делаем то же самое с белками».

Идеальным кандидатом оказался белок бактерии, которая живёт в горячих источниках Исландии. Это цитохром c (англ. cyt c), один из так называемых консервативных белков, он встречается как у простейших, так и у растений и животных. Обычно этот белок служит для переноса электронов между другими белками, но исследователи обнаружили, что он может действовать как фермент для создания кремний-углеродных связей на низком уровне.

Исследователи добились мутации ДНК, кодирующей этот белок в пределах той области, что определяет железосодержащую часть белка, и, как считается, отвечает за его способность к формированию кремний-углеродных связей. Далее они проверили мутантные ферменты на их способность создавать кремнийорганические соединения лучше, чем обычный белок.

После всего лишь трёх этапов отбора был получен фермент, который может выборочно создавать кремний-углеродные связи в 15 раз более эффективно, чем самый лучший катализатор, изобретённый химиками. Кроме того, фермент обладает высокой избирательностью, что значит, что в процессе выделяется меньшее количество нежелательных побочных продуктов, которые необходимо химически отделять.

«Биокатализатор не токсичен, он дешевле, его проще изменить, по сравнению с другими катализаторами, используемыми в химическом синтезе, — говорит Кан. — Новая реакция может проходить при комнатной температуре и в воде».

Синтетический способ получения кремний-углеродных связей часто подразумевает использование драгметаллов и токсичных растворителей и требует дополнительной обработки для удаления нежелательных побочных продуктов, всё это делает производство дорогостоящим.

На вопрос, будет ли жизнь развиваться так, чтобы начать использовать кремний, Арнольд ответила так:

«Это исследование показывает, как быстро природа может приспособиться к новым вызовам. ДНК-закодированный каталитический механизм клетки может быстро научиться использованию новых химических реакций, когда мы предлагаем ей новые реагенты и соответствующий стимул в виде искусственного отбора. Природа могла бы сделать это сама, если ей бы это потребовалось».

Кремнийорганические соединения — соединения, в молекулах которых имеется связь между атомами кремния и углерода. Кремнийорганические соединения иногда называют силиконами, от латинского названия кремния «силициум». Кремнийорганические соединения используются для производства смазок, полимеров, резин, каучуков, кремнийорганических жидкостей и эмульсий. Кремнийорганические соединения применяются в косметике, бытовой химии, лакокрасочных материалах, моющих средствах. Отличительной особенностью продукции на основе кремнийорганических соединений от продукции на основе обычных органических соединений являются, как правило, более высокие эксплуатационные качества и характеристики, а также безопасность применения человеком. Кремнийорганические полимеры могут использоваться для изготовления форм в кулинарии. Полимеризация кремнийорганических компаундов и герметиков безопасна для человека и не требует вытяжки.