Новостная лента

Природу «научили» образовывать кремний-карбоновые связи

02.12.2015

Новое исследование впервые продемонстрировало, что живые организмы можно «убедить» образовывать кремний-карбоновые соединения, то есть выполнять задание, которое до сих пор было под силу только химикам в лабораториях. Ученые из Каліфорніського технологического института синтезировали бактериальный фермент, способный продуцировать эти искусственные соединения.

 

Форма жизни на основе кремния в фантазии художника. Новое исследование под руководством Фрэнсис Арнольд доказывает, что бактерии способны образовывать органокремнієві соединения. Это еще не означает, что жизнь на основе кремния возможна, однако свидетельствует о том, что его можно заставить инкорпорировать кремний в свои базовые компоненты.

 

Молекулы с кремний-карбоновыми (органокремнієвими) связями встречаются во многих химических веществах, которые применяют, в частности, в фармацевтической отрасли, сельскохозяйственных удобрениях, во время изготовления красок, компьютерных мониторов и телеэкранов. До сих пор эти соединения изготавливали только синтетически, ведь в природе они не встречаются.

 

Новое исследование, в свою очередь, продемонстрировало, что их можно изготавливать и биологическим способом. Причем этот способ дешевле и меньше загрязняет окружающую среду.

 

«Мы решили “научить” природу делать то, что до сих пор удавалось лишь химикам», – говорит Фрэнсис Арнольд, главный автор исследования, опубликованного в последнем выпуске журнала Science. Исследования команды Арнольд впервые показало, что природные органические соединения на основе углерода – строительные блоки жизни – можно настроить присоединять к себе кремний. Формы жизни, которое функционирует на основе кремния, кстати, уже длительное время представляют себе научные фантасты (коренастые существа под названием «борзой» фигурировали в эпизодах сериала Star Trek в 1960-е). Углерод и кремний имеют много химических сходств. Оба эти элементы способны формировать связи одновременно с четырьмя атомами, что хорошо приспосабливает их к образованию длинных молекулярных цепей, таких как белки или ДНК, на основе которых функционирует жизнь.

 

«Хотя кремний – один из самых распространенных на Земле элементе, ни один вид не смог совместить его с углеродом», – говорит соавтор исследования Дженнифер Кан, постдок из лаборатории Арнольд.

 

Чтобы заставить органические соединения присоединять кремний, исследователи использовали метод т. зв. направленной эволюции, который Арнольд создала в начале 1990-х. Этот метод позволяет создавать новые ферменты в лаборатории с помощью искусственной селекции. Для получения новых органических катализаторов белковой природы исследователи, следовательно, приспособили тот же принцип, который применяют для селекции сельскохозяйственных культур или домашних животных. Ферменты – это класс белков, которые катализируют (ускоряют) химические реакции. Метод направленной эволюции начинается с поиска фермента, который нужно модифицировать. Впоследствии ДНК, которая лежит в его основе, подвергают более-менее случайным мутациям, а впоследствии этот генетически модифицированный энзим тестируют на наличие нужных свойств. Ферменты, которые показали себя лучше всего, отбирают и снова подвергают генетическим мутациям. Этот процесс продолжают до тех пор, пока не получат фермент, свойства которого многократно не превосходят свойства оригинала.

 

Метод направленной эволюции уже годами используют для получения ферментов, которые применяют в производстве моющих средств. Кроме того, он хорошо зарекомендовал себя в создании «зеленых» способов получения лекарственных средств, сельскохозяйственных химикатов и топлива.

 

Целью нового исследования, однако, было не просто улучшить оригинальные биологические функции ферментов, а «убедить» их делать что-то такое, чего они раньше никогда не делали. Для этого исследователям сначала пришлось выбрать потенциально пригодную для этого кандидатуру, то есть фермент, который потенциально мог бы образовывать кремний-карбоновые связи.

 

«Это немного напоминает разведение скаковых лошадей. Добрый селекционер умеет распознать коня, который имеет чемпионские качества, и выберет именно его для селекции нужных качеств. Именно это мы делаем с белками», – говорит Арнольд.

 

Идеальным вариантом стал белок, который продуцируют бактерии, живущие в горячих источниках в Исландии. Этот белок называется цитохромом и, как правило, передает электроны другим белкам, но исследователи установили, что это свойство можно использовать и для образования углерод-кремниевых связей. Следующим шагом было подвергнуть ДНК этих соединений генетическим мутациям и протестировать их способность формировать органокремнієві связи.

 

После всего лишь трех таких мутаций ученые создали фермент, способный селективно формировать кремний-карбоновые связи в 15 раз эффективнее, чем лучшие катализаторы, которые когда-либо изобретали химики. Кроме того, он очень селективный. Это означаає означает, что этот фермент формирует меньше нежелательных побочных продуктов, которые нужно удалять химическим способом.

 

Синтетический процесс, создание углерод-кремниевых связей, нуждается драгоценных металлов, токсичных растворителей, а также дополнительных манипуляций для устранения нежелательных побочных продуктов.

 

На вопрос, может ли жизнь эволюционировать на основе кремния, Арнольд отвечает, что природа потенциально на это способна. «Это исследование показывает, насколько быстро природа может приспосабливаться к новым вызовам. Вследствие генетических мутаций каталитическая маширенія клетки может быстро научиться проводить новые химические реакции, если ей предоставить новые реагенты и необходимый стимул со стороны искусственной селекции. – говорит исследовательница. – Я думаю, что если бы природа позаботилась, она могла бы и сама до этого дойти».

 

Bringing silicon to life: Scientists persuade nature to make silicon-carbon bonds

Science Daily, 24/11/2016

Отреферировал Евгений Ланюк

You Might Also Like

Loading...

Нет комментариев

Комментировать

Яндекс.Метрика