科學(xué)家們首次設(shè)計(jì)了一種酶，可以打破硅和碳之間頑固的人造鍵，這種鍵存在于廣泛使用的化學(xué)物質(zhì)硅氧烷或有機(jī)硅中。這一發(fā)現(xiàn)是使這種可以在環(huán)境中殘留的化學(xué)物質(zhì)可生物降解的第一步。
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是加州理工學(xué)院化學(xué)工程、生物工程和生物化學(xué)Frances Arnold教授，她與另外兩位科學(xué)家榮獲了2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是酶的定向進(jìn)化。她說:“大自然是一位神奇的化學(xué)家，現(xiàn)在的技能包括打破以前被認(rèn)為可以逃避生物體攻擊的硅氧烷的鍵。
Arnold在定向進(jìn)化方面的開創(chuàng)性工作，是一種利用人工選擇原理設(shè)計(jì)酶和其他蛋白質(zhì)的方法。在最新研究中，Arnold等人利用定向進(jìn)化創(chuàng)造了新的硅碳鍵裂解酶。研究結(jié)果發(fā)表在1月26日的《科學(xué)》雜志上。
研究人員說，雖然他們的工程酶的實(shí)際應(yīng)用可能還需要十年或更長(zhǎng)時(shí)間，但它的發(fā)展開啟了硅氧烷有一天可能被生物降解的可能性。阿諾德說:“例如，自然生物可以在富含硅氧烷的環(huán)境中進(jìn)化，以催化類似的反應(yīng)，或者進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化的酶，如這種酶，可能用于處理廢水中的硅氧烷污染物。”
大自然不使用硅碳鍵，“但我們使用了，而且已經(jīng)使用了大約80年。其中一些化合物的揮發(fā)性需要進(jìn)行健康和環(huán)境研究，以正確了解這些材料在環(huán)境中的降解機(jī)制。”
硅氧烷化學(xué)物質(zhì)可以在無數(shù)產(chǎn)品中找到，包括用于家庭清潔，個(gè)人護(hù)理，汽車，建筑，電子和航空航天工業(yè)的產(chǎn)品。這些化合物的化學(xué)主鏈?zhǔn)怯晒柩蹑I構(gòu)成的，而含碳基團(tuán)，通常是甲基，則與硅原子相連。“硅氧主鏈?zhǔn)咕酆衔锞哂袩o機(jī)性質(zhì)，而硅甲基使聚合物具有有機(jī)性質(zhì)。因此，這些聚合物具有獨(dú)特的材料特性，如高熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性、低表面張力和高骨干柔韌性等。”
據(jù)信，硅氧烷可以在環(huán)境中持續(xù)存在數(shù)天至數(shù)月，因此，正在進(jìn)行的研究旨在對(duì)硅氧烷材料的健康和環(huán)境安全性提供更科學(xué)的認(rèn)識(shí)。這些化學(xué)物質(zhì)自然地開始分裂成更小的碎片，特別是在土壤或水生環(huán)境中，這些碎片變得易揮發(fā)或逃逸到空氣中，在那里它們通過與大氣中的自由基反應(yīng)而降解。在硅氧烷的所有化學(xué)鍵中，硅碳鍵是分解最慢的。
2016年，Arnold和她的同事利用定向進(jìn)化技術(shù)設(shè)計(jì)了一種名為細(xì)胞色素c的細(xì)菌蛋白質(zhì)，以形成硅碳鍵，這一過程在自然界中是不會(huì)發(fā)生的。Arnold在加州理工學(xué)院的新聞發(fā)布會(huì)上說:“我們決定讓大自然做只有化學(xué)家才能做的事情——而且做得更好。”研究表明，生物學(xué)可以以比化學(xué)家傳統(tǒng)使用的更環(huán)保的方式制造這些鍵。
在這項(xiàng)新研究中，研究人員希望找到打破而不是創(chuàng)造這種聯(lián)系的方法?？茖W(xué)家們利用定向進(jìn)化進(jìn)化出一種叫做細(xì)胞色素P450的細(xì)菌酶。定向進(jìn)化與培育狗或馬的過程類似，目的是為了獲得所需的性狀。研究人員首先在他們收集的酶中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞色素P450的一種變體，這種變體在所謂的線性和環(huán)狀揮發(fā)性甲基硅氧烷(硅氧烷家族的一個(gè)常見亞群)中具有非常弱的破壞硅碳鍵的能力。
他們使細(xì)胞色素P450的DNA發(fā)生突變，并測(cè)試了這種新的變異酶。然后，表現(xiàn)最好的基因再次突變，并重復(fù)測(cè)試，直到酶足夠活躍，使研究人員能夠識(shí)別反應(yīng)的產(chǎn)物，并研究酶的工作機(jī)制。
“進(jìn)化酶來破壞硅氧烷中的這些鍵存在獨(dú)特的障礙。有了定向進(jìn)化，我們必須同時(shí)評(píng)估數(shù)百種新酶，以確定一些具有改進(jìn)活性的酶變體，”其中一個(gè)挑戰(zhàn)涉及硅氧烷分子從用于篩選變體的96孔板中浸出塑料成分。為了解決這個(gè)問題，研究小組用普通的實(shí)驗(yàn)室用品制作了新的盤子。
Arnold說:“另一個(gè)挑戰(zhàn)是找到定向進(jìn)化過程的起始酶，這種酶甚至只有一點(diǎn)點(diǎn)所需的活性。”“我們?cè)谖覀儶?dú)特的細(xì)胞色素p450系列中發(fā)現(xiàn)了它，這些細(xì)胞色素p450是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)化出來的，用于其他類型的新自然硅化學(xué)。”
最終改進(jìn)的酶不直接切割硅碳鍵，而是通過兩個(gè)連續(xù)的步驟氧化硅氧烷中的甲基?；旧?，這意味著兩個(gè)碳?xì)滏I被碳氧鍵取代，這種變化使得硅碳鍵更容易斷裂。
文章一作Tyler Fulton解釋說，這項(xiàng)研究與涉及塑料食用酶的研究有相似之處，他指的是2016年另一組研究人員在Ideonella sakaiensis細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)降解酶。“雖然pet降解酶是由大自然而不是工程師發(fā)現(xiàn)的，但這種酶激發(fā)了其他創(chuàng)新，最終在塑料降解方面取得了成果。”我們希望這一演示同樣會(huì)激發(fā)進(jìn)一步的工作，幫助分解硅氧烷化合物，”他說。
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-1）
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