硅和碳首次借助天然酶“聯姻”

來源：科技日報作者：人氣：-發表時間：2016-12-02 09:13:00【大中小】

據《Nature》雜志網站11月24日報道，美國科學家發現，在一種天然酶的作用下，當活體大腸桿菌細胞被“喂食”合適的含硅化合物時，其內部可形成碳—硅鍵。這是科學家首次證明有機生物體能讓硅碳結合。除有助新藥研制外，該研究還有助于解答生物進化過程為何對硅視而不見的問題。

生物體讓很多常見的金屬為其所用，如血紅蛋白細胞中含有鐵，葉綠素中含有鎂等。盡管硅是地球上第二豐富的元素，僅次于氧，但硅僅現于生物的無機化合物內，例如單細胞硅藻的氧化硅殼，從未進入有機生命的碳基鏈內，這一直是個未解之謎。

此前，科學家們已借助人造催化劑，讓硅和碳“聯姻”，但加州理工大學的弗朗西斯·阿諾德想厘清天然酶是否也能充當讓硅碳結合的“紅娘”。

阿諾德團隊發表在24日出版的《科學》雜志上的論文稱，他們對蛋白質數據庫進行了全面篩查，并從數十種有潛力的酶中挑出了一個。這種酶源于一類生活在冰島海底溫泉內的嗜極菌——海洋紅嗜熱鹽菌。他們將其插入大腸桿菌內。果不其然，如果添加合適的含硅化合物，這種酶能催化硅—碳鍵的合成。

不過，在制造硅有機化合物方面，經過遺傳修改的大腸桿菌的效率仍然不是很高，因此，研究團隊讓這種酶的活性區域發生變異，經過數代進化，新的天然酶效果優于人造催化劑。阿諾德表示，接下來他們打算研究將硅整合入生命的好處和成本。

諾貝爾化學獎得主、康奈爾大學的羅德·霍夫曼說：“最新研究將化學方法和定向進化結合在一起，制造出的酶形成了碳—硅鍵，這一美妙研究創造了新化學形式。”

以色列理工大學有機化學專家伊扎克·阿佩羅伊格說：“新研究為藥物研發領域開辟了新路徑，有助于發現和研制出新藥。”

硅元素（silicon，Si）是地殼中第二豐富的元素（26.4%），僅次于第一位的氧（49.4%）。我們都知道，構成生物體的大量元素包括C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、Cl、Fe等，幾乎不涉及硅元素。那么，為什么生命體沒有將其融入自身呢？這一直是個謎。

近期，來自于加州理工學院的化學工程師Frances Arnold帶領團隊卻在細胞內首次實現了硅和碳的結合。他們篩選到一種天然酶類，存在于生活在極端環境的細菌體內。這種酶能夠在大腸桿菌細胞內表達，并催化培養基中的硅元素與細胞內的碳元素結合。

為了提高結合效率，研究團隊對天然酶進行改造，使其成為全新的生物催化，能夠以前所未有的效率完成催化。相關研究成果于11月24日發表在《Science》期刊。

這一發現能夠幫助化學家開發出新的藥物和工業催化劑，或許還有望用于解釋為什么生命進化幾乎完全避開了硅元素。

硅與碳“共舞”？

我們知道，一些常見的金屬元素參與構成生命體、參與生理過程，例如紅細胞中的鐵元素、葉綠素中的鎂元素。但是，硅元素似乎只以無機化合物的面目存在于細胞中，例如單細胞藻類硅藻表面覆蓋的硅質細胞壁，其主要成分是二氧化硅。硅元素從未進入以碳元素為基礎的有機生命鏈中。

1981年諾貝爾化學獎獲得者之一、康奈爾大學的化學家Roald Hoffmann曾表示：“硅元素是構成地殼結構的主要元素，但是卻未在漫漫進化史中融入生物圈。”

過去，已有科學家找到了利用人工催化劑將碳和硅結合在一起的方法。但是Frances Arnold卻試圖尋找能夠實現碳-硅結合的酶類。

Arnold團隊通過檢索蛋白質數據庫，找到了幾十個有潛力的酶。經過重重篩選，他們鎖定了一種天然酶，它們存在于一種生活在冰島溫泉極端環境中的細菌Rhodothermus marinus體內。隨后，他們合成了酶蛋白，并將其編碼基因插入到大腸桿菌中。

一系列試驗證實他們的推測是正確的：如果轉基因大腸桿菌被培養在含有硅元素的培養基中，這一天然酶能夠催化硅-碳結合。正常情況下，這種催化作用并不會啟動，因為Rhodothermus marinus細菌不會生存在含有硅元素的環境中。

改造酶類，提高效率

研究人員發現，重組后的大腸桿菌并不能有效地合成硅-碳化合物。為了提高效率，他們對酶基因進行突變，最終篩選到理想中的酶。而且，改造后的酶的催化效率遠遠趕超人工催化劑。

上世紀90年代，Arnold就已經開發了定向進化技術，目前廣泛應用于多領域，例如改善洗滌劑、合成化藥。她曾因此獲得過千禧技術獎。

Hoffmann評價Arnold團隊研究成果時表示：“這項工作開創了新的化學之美。” 以色列理工學院技術研究所致力于有機化學研究的Yitzhak Apeloig 認為：“這一最新研究為制藥研究開辟了新機遇，有望促進新藥物的研發。”

Arnold強調：“研究結果也可以幫助解決生命早期演化的基礎問題，例如生命體‘繞開’硅元素的原因。我們可以試圖計算將硅元素融入細胞的成本和收益。”


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此文關鍵字：天然酶|硅碳結合

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