科學(xué)家教會(huì)細(xì)菌合成碳硅鍵
中國(guó)微生物菌種查詢網(wǎng) / 2016-12-08 08:51:45
我們的身邊到處都有硅：它是地球上儲(chǔ)量?jī)H次于氧的元素。然而，為何生物體從未將其納入生化機(jī)制呢？這在長(zhǎng)期以來(lái)都是個(gè)謎。
不過(guò)，化學(xué)工程師目前發(fā)現(xiàn)，對(duì)有機(jī)生命體進(jìn)行微調(diào)，可以讓它們把碳原子和硅原子用化學(xué)鍵連接起來(lái)。他們通過(guò)研究表明，一種生活在溫泉中的細(xì)菌形成的天然酶物質(zhì)可以在活體大腸桿菌（Escherichiacoli）細(xì)胞內(nèi)形成C-Si鍵，只要給細(xì)胞提供合適的含硅化合物。通過(guò)對(duì)這種酶進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，研究者們研制出了比任何人工催化劑都更加高效的生物催化劑。
這一發(fā)現(xiàn)能夠幫助化學(xué)家開(kāi)發(fā)新的制藥工藝以及工業(yè)合成催化劑，或許還可以解釋為什么生物在長(zhǎng)期的演化過(guò)程中幾乎從未將硅元素納入其中。
無(wú)處容硅？
自然界在生物化學(xué)當(dāng)中利用了相當(dāng)多的常見(jiàn)金屬元素，典型的案例就是紅細(xì)胞中的鐵元素以及葉綠素中的鎂元素。但是硅這種兼具金屬和非金屬性質(zhì)的元素似乎只能出現(xiàn)在生物無(wú)機(jī)化合物當(dāng)中，例如單細(xì)胞硅藻中的硅殼（注：硅藻的細(xì)胞壁由兩個(gè)獨(dú)立的半片硅制殼面組成），但它從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)在有機(jī)生物體的碳鏈當(dāng)中。
諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、來(lái)自康奈爾大學(xué)的羅德·霍夫曼（RoaldHoffmann）說(shuō)道：“可憐的硅，在地球上儲(chǔ)量那么多，卻因?yàn)樯矬w的謎之遺傳特征而被生物圈拒之門(mén)外。”
研究者們?cè)缫涯軌蚶萌斯ご呋瘎⒐韬吞荚舆B接在一起，不過(guò)加州理工學(xué)院的化學(xué)工程師弗朗西斯·阿諾德（FrancesArnold）卻想知道，一些生物合成酶是否也能在某種條件下把硅和碳通過(guò)化學(xué)鍵連接起來(lái)。
她和同事們?cè)诘鞍踪|(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)多有希望的酶。幾番篩查之后，他們確定了一種來(lái)自海洋紅嗜熱鹽菌（Rhodothermusmarinus）的酶，這種極端環(huán)境細(xì)菌生活在冰島海底溫泉里。研究者合成了生成該種酶的基因，并將其植入大腸桿菌當(dāng)中。
他們的猜想被證實(shí)了：如果提供合適的含硅前驅(qū)體，這種酶就能夠催化碳硅進(jìn)行鍵接（這在通常環(huán)境下并不會(huì)發(fā)生，因?yàn)榧?xì)菌在自然條件下不會(huì)產(chǎn)生含硅化合物）。“只要提供了人造的含硅化合物，大自然就能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)含硅有機(jī)化合物這種看似荒唐的事情，這真是令人驚嘆。”阿諾德說(shuō)。
高效量產(chǎn)
不過(guò)，通過(guò)改造大腸桿菌的方式來(lái)合成硅－碳化合物的效率并不高。因而團(tuán)隊(duì)在酶的活性區(qū)域引入突變，然后選取活性提升的細(xì)菌。經(jīng)過(guò)幾代突變和篩選，足以顯著提升酶的產(chǎn)量——完爆那些人工合成的催化劑。這一結(jié)果發(fā)表在9月24日的Science[1]上。
“阿諾德團(tuán)隊(duì)巧妙地將優(yōu)秀的化學(xué)工作和定向進(jìn)化（directedevolution）結(jié)合起來(lái)，以特別的方式產(chǎn)生了這種能夠形成碳－硅鍵的酶，”霍夫曼說(shuō)，“真是漂亮的研究，它開(kāi)創(chuàng)了嶄新的化學(xué)?！?
阿諾德20世紀(jì)90年代發(fā)展的定向進(jìn)化技術(shù)[2]目前應(yīng)用廣泛，不管是改進(jìn)洗滌劑成分還是合成醫(yī)用藥物都有它的用武之地。因?yàn)樵擁?xiàng)工作，她摘得了今年的“新千年技術(shù)獎(jiǎng)”（MillenniumTechnologyPrize），獎(jiǎng)金100萬(wàn)歐元（合110萬(wàn)美元）。
“這為藥學(xué)研究打開(kāi)了一扇全新的大門(mén)，或許會(huì)引領(lǐng)新藥的發(fā)現(xiàn)。”以色列理工學(xué)院的有機(jī)藥物專家伊扎克·阿佩羅伊格（YitzhakApeloig）說(shuō)。
阿諾德稱，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于解決早期生命演化的基本問(wèn)題也很有幫助，尤其或許能解答自然對(duì)于硅的忽略是偶然結(jié)果還是有意為之的問(wèn)題?！拔覀兛梢蚤_(kāi)始探索將硅納入生命體的成本和效益了?！?
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