Клітинний фермент
Живі організми, якщо їх належним чином змінити, виявляються здатними створювати кремнієво-вуглецеві зв'язки, які не зустрічаються в природі. Вчені з Каліфорнійського технологічного інституту (California Institute of Technology; Caltech) модифікували бактерії, щоб виробляли продукт, раніше доступний лише як результат роботи хімічної лабораторії.
Речовини, в молекулах яких є зв'язок між атомами кремнію та вуглецю - кремнійорганічні сполуки використовуються у фармацевтиці та багатьох інших областях, у тому числі виробництві сільськогосподарських хімікатів, фарб, напівпровідників та комп'ютерних та телевізійних екранів. В даний час всі ці продукти виробляються синтетично, оскільки кремнієво-вуглецеві зв'язки не зустрічаються в природі.
Але тепер дослідження показує, що для виробництва кремнійорганічних сполук можуть бути створені біохімічні технології, менш небезпечні та дорогі за існуючі.
Дане дослідження вперше показує, що живі організми можуть пристосуватися до навколишнього середовища таким чином, що кремній буде використаний у їхній біохімії, з'єднавшись з молекулами на основі вуглецю.
Про альтернативу знайомої нам форми життя, де кремній міг би виконувати ту ж роль, що вуглець, вчені замислилися досить давно. Вуглець та кремній хімічно багато в чому схожі. Обидва елементи можуть утворювати зв'язки з чотирма атомами одночасно, що робить їх придатними для формування довгих ланцюжків молекул, необхідних розвитку життя. У випадку вуглецю ми знаємо ці великі молекули як білки та ДНК.
Френсіс Арнольд.
Дослідники використовували у роботі метод спрямованої еволюції, розроблений ФренсісАрнольд на початку 1990-х років, при якому нові та найкращі ферменти створюються в лабораторії через штучний відбір. Це схоже на те, як селекціонери виводять сорти кукурудзи, породи корів чи кішок. Ферменти – клас білків, які каталізують хімічні реакції. Спрямований процес еволюції починається з вибору ферменту, який вчені хочуть змінити. Мутації ДНК, що кодує виробництво ферментів більш менш випадкові, але в процесі робота ферментів вивчаються і відбираються організми, у яких мутація йде по бажаному шляху. Відібрані – мутують далі, процес повторюється доти, доки потрібний фермент не починає працювати так, як було заплановано.
Метод працює. Спрямована еволюція дозволила розробити методи виробництва ферментів для побутової хімії, виготовлення фармацевтичних препаратів, сільськогосподарських хімікатів і палива.
Але в новому дослідженні метою було не просто покращити біологічну функцію ферменту, а підштовхнути його до того, чого він не робив раніше. Першим великим завданням став пошук відповідного кандидата, ферменту, що має потенціал до створення кремній-вуглецевих зв'язків.
«Це як племінний кінь, — каже Френсіс Арнольд. — Хороший заводчик помічає вроджену здатність коня бути переможцем на стрибках і передати це наступним поколінням. Ми робимо те саме з білками».
Ідеальним кандидатом виявився білок бактерії, яка живе у гарячих джерелах Ісландії. Це цитохром c (англ. cyt c), один із так званих консервативних білків, він зустрічається як у найпростіших, так і у рослин та тварин. Зазвичай, цей білок служить для перенесення електронів між іншими білками, але дослідники виявили, що він може діяти як фермент для створення кремній-вуглецевих зв'язків на низькому рівні.
Після всього трьох етапів відбору був отриманий фермент, який може вибірково створювати кремній-вуглецеві зв'язки в 15 разів більш ефективно, ніж найкращий каталізатор, винайдений хіміками. Крім того, фермент має високу вибірковість, що означає, що в процесі виділяється менша кількість небажаних побічних продуктів, які необхідно хімічно відокремлювати.
Біокаталізатор не токсичний, він дешевше, його простіше змінити, в порівнянні з іншими каталізаторами, що використовуються в хімічному синтезі, - говорить Кан. — Нова реакція може відбуватися за кімнатної температури та у воді».
Синтетичний спосіб одержання кремній-вуглецевих зв'язків часто має на увазі використання дорогоцінних металів і токсичних розчинників і вимагає додаткової обробки для видалення небажаних побічних продуктів, все це робить виробництво дорогим.
На питання, чи буде життя розвиватися так, щоб почати використовувати кремній, Арнольд відповіла так:
«Це дослідження показує, як швидко природа може пристосуватися до нових викликів. ДНК-закодований каталітичний механізм клітин може швидко навчитися використанню нових хімічних реакцій, коли ми пропонуємо їй нові реагенти і відповідний стимул у вигляді штучного відбору. Природа могла б зробити це сама, якщо їй це знадобилося б».