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硅基生命来临? 加州理工学院科学家教会细菌合成碳硅键
硅基生命来临? 加州理工学院科学家教会细菌合成碳硅键
作者:Davide Castelvecchi 柏华元 翻译 | 2016/12/7 14:17:35 | 浏览:1261 | 评论:0

硅基生命来临? 加州理工学院科学家教会细菌合成碳硅键

对细菌中的酶进行改造,可以让它形成硅-碳键,这是几十亿年自然演化都未能出现的。科学家从冰岛温泉里一种细菌内部发现了能够键接碳和硅的酶,该细菌在著名的蓝潟湖(Blue Lagoon)中也有分布。图片来源:Sarah1990

我们的身边到处都有硅:它是地球上储量仅次于氧的元素。然而,为何生物体从未将其纳入生化机制呢?这在长期以来都是个谜。

不过,化学工程师目前发现,对有机生命体进行微调,可以让它们把碳原子和硅原子用化学键连接起来。他们通过研究表明,一种生活在温泉中的细菌形成的天然酶物质可以在活体大肠杆菌(Escherichia coli)细胞内形成 C-Si 键,只要给细胞提供合适的含硅化合物。通过对这种酶进行设计改造,研究者们研制出了比任何人工催化剂都更加高效的生物催化剂。

这一发现能够帮助化学家开发新的制药工艺以及工业合成催化剂,或许还可以解释为什么生物在长期的演化过程中几乎从未将硅元素纳入其中。

无处容硅?

自然界在生物化学当中利用了相当多的常见金属元素,典型的案例就是红细胞中的铁元素以及叶绿素中的镁元素。但是硅这种兼具金属和非金属性质的元素似乎只能出现在生物无机化合物当中,例如单细胞硅藻中的硅壳(注:硅藻的细胞壁由两个独立的半片硅制壳面组成),但它从来没有出现在有机生物体的碳链当中。

诺贝尔化学奖得主、来自康奈尔大学的罗德·霍夫曼(Roald Hoffmann)说道:“可怜的硅,在地球上储量那么多,却因为生物体的谜之遗传特征而被生物圈拒之门外。”

研究者们早已能够利用人工催化剂将硅和碳原子连接在一起,不过加州理工学院的化学工程师弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)却想知道,一些生物合成酶是否也能在某种条件下把硅和碳通过化学键连接起来。

她和同事们在蛋白质数据库中发现了相当多有希望的酶。几番筛查之后,他们确定了一种来自海洋红嗜热盐菌(Rhodothermus marinus)的酶,这种极端环境细菌生活在冰岛海底温泉里。研究者合成了生成该种酶的基因,并将其植入大肠杆菌当中。

他们的猜想被证实了:如果提供合适的含硅前驱体,这种酶就能够催化碳硅进行键接(这在通常环境下并不会发生,因为细菌在自然条件下不会产生含硅化合物)。“只要提供了人造的含硅化合物,大自然就能实现生产含硅有机化合物这种看似荒唐的事情,这真是令人惊叹。”阿诺德说。

高效量产

不过,通过改造大肠杆菌的方式来合成硅-碳化合物的效率并不高。因而团队在酶的活性区域引入突变,然后选取活性提升的细菌。经过几代突变和筛选,足以显著提升酶的产量——完爆那些人工合成的催化剂。这一结果发表在9月 24日的Science[1] 上。

“阿诺德团队巧妙地将优秀的化学工作和定向进化(directed evolution)结合起来,以特别的方式产生了这种能够形成碳-硅键的酶,”霍夫曼说,“真是漂亮的研究,它开创了崭新的化学。”

阿诺德20世纪90年代发展的定向进化技术[2]目前应用广泛,不管是改进洗涤剂成分还是合成医用药物都有它的用武之地。因为该项工作,她摘得了今年的“新千年技术奖”(Millennium Technology Prize),奖金100万欧元(合110万美元)。

“这为药学研究打开了一扇全新的大门,或许会引领新药的发现。”以色列理工学院的有机药物专家伊扎克·阿佩罗伊格(Yitzhak Apeloig)如是说。

阿诺德称,这些发现对于解决早期生命演化的基本问题也很有帮助,尤其或许能解答自然对于硅的忽略是偶然结果还是有意为之的问题。“ 我们可以开始探索将硅纳入生命体的成本和效益了。

参考文献

1.Kan, S. B. J., Lewis, R. D., Chen, K. &Arnold, F. H. Science 354, 1048–1051(2016).

2.Arnold, F. H. Trends Biotechnol. 8, 244–249(1990).

原文链接:

http://www.nature.com/news/living-cells-bind-silicon-and-carbon-for-the-first-time-1.21037

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