硅和碳首次借助天然酶“联姻”

来源：科技日报   发布者：亦云   日期：2016-11-28  

　 据《Nature》杂志网站11月24日报道，美国科学家发现，在一种天然酶的作用下，当活体大肠杆菌细胞被“喂食”合适的含硅化合物时，其内部可形成碳—硅键。这是科学家首次证明有机生物体能让硅碳结合。除有助新药研制外，该研究还有助于解答生物进化过程为何对硅视而不见的问题。 　　生物体让很多常见的金属为其所用，如血红蛋白细胞中含有铁，叶绿素中含有镁等。尽管硅是地球上第二丰富的元素，仅次于氧，但硅仅现于生物的无机化合物内，例如单细胞硅藻的氧化硅壳，从未进入有机生命的碳基链内，这一直是个未解之谜。 　　此前，科学家们已借助人造催化剂，让硅和碳“联姻”，但加州理工大学的弗朗西斯·阿诺德想厘清天然酶是否也能充当让硅碳结合的“红娘”。 　　阿诺德团队发表在24日出版的《科学》杂志上的论文称，他们对蛋白质数据库进行了全面筛查，并从数十种有潜力的酶中挑出了一个。这种酶源于一类生活在冰岛海底温泉内的嗜极菌——海洋红嗜热盐菌。他们将其插入大肠杆菌内。果不其然，如果添加合适的含硅化合物，这种酶能催化硅—碳键的合成。 　　不过，在制造硅有机化合物方面，经过遗传修改的大肠杆菌的效率仍然不是很高，因此，研究团队让这种酶的活性区域发生变异，经过数代进化，新的天然酶效果优于人造催化剂。阿诺德表示，接下来他们打算研究将硅整合入生命的好处和成本。 　　诺贝尔化学奖得主、康奈尔大学的罗德·霍夫曼说：“最新研究将化学方法和定向进化结合在一起，制造出的酶形成了碳—硅键，这一美妙研究创造了新化学形式。” 　　以色列理工大学有机化学专家伊扎克·阿佩罗伊格说：“新研究为药物研发领域开辟了新路径，有助于发现和研制出新药。” 硅元素（silicon，Si）是地壳中第二丰富的元素（26.4%），仅次于第一位的氧（49.4%）。我们都知道，构成生物体的大量元素包括C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、Cl、Fe等，几乎不涉及硅元素。那么，为什么生命体没有将其融入自身呢？这一直是个谜。 近期，来自于加州理工学院的化学工程师Frances Arnold带领团队却在细胞内首次实现了硅和碳的结合。他们筛选到一种天然酶类，存在于生活在极端环境的细菌体内。这种酶能够在大肠杆菌细胞内表达，并催化培养基中的硅元素与细胞内的碳元素结合。 为了提高结合效率，研究团队对天然酶进行改造，使其成为全新的生物催化，能够以前所未有的效率完成催化。相关研究成果于11月24日发表在《Science》期刊。 这一发现能够帮助化学家开发出新的药物和工业催化剂，或许还有望用于解释为什么生命进化几乎完全避开了硅元素。 硅与碳“共舞”？ 我们知道，一些常见的金属元素参与构成生命体、参与生理过程，例如红细胞中的铁元素、叶绿素中的镁元素。但是，硅元素似乎只以无机化合物的面目存在于细胞中，例如单细胞藻类硅藻表面覆盖的硅质细胞壁，其主要成分是二氧化硅。硅元素从未进入以碳元素为基础的有机生命链中。 1981年诺贝尔化学奖获得者之一、康奈尔大学的化学家Roald Hoffmann曾表示：“硅元素是构成地壳结构的主要元素，但是却未在漫漫进化史中融入生物圈。” 过去，已有科学家找到了利用人工催化剂将碳和硅结合在一起的方法。但是Frances Arnold却试图寻找能够实现碳-硅结合的酶类。 Arnold团队通过检索蛋白质数据库，找到了几十个有潜力的酶。经过重重筛选，他们锁定了一种天然酶，它们存在于一种生活在冰岛温泉极端环境中的细菌Rhodothermus marinus体内。随后，他们合成了酶蛋白，并将其编码基因插入到大肠杆菌中。 一系列试验证实他们的推测是正确的：如果转基因大肠杆菌被培养在含有硅元素的培养基中，这一天然酶能够催化硅-碳结合。正常情况下，这种催化作用并不会启动，因为Rhodothermus marinus细菌不会生存在含有硅元素的环境中。 改造酶类，提高效率 研究人员发现，重组后的大肠杆菌并不能有效地合成硅-碳化合物。为了提高效率，他们对酶基因进行突变，最终筛选到理想中的酶。而且，改造后的酶的催化效率远远赶超人工催化剂。 上世纪90年代，Arnold就已经开发了定向进化技术，目前广泛应用于多领域，例如改善洗涤剂、合成化药。她曾因此获得过千禧技术奖。 Hoffmann评价Arnold团队研究成果时表示：“这项工作开创了新的化学之美。” 以色列理工学院技术研究所致力于有机化学研究的Yitzhak Apeloig 认为：“这一最新研究为制药研究开辟了新机遇，有望促进新药物的研发。” Arnold强调：“研究结果也可以帮助解决生命早期演化的基础问题，例如生命体‘绕开’硅元素的原因。我们可以试图计算将硅元素融入细胞的成本和收益。”

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