Science:活细胞内首次实现硅和碳的结合

2016-11-28 15:48 来源: 生物探索
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  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。”