Нове дослідження вперше продемонструвало, що живі організми можна «переконати» утворювати кремній-карбонові сполуки, тобто виконувати завдання, яке досі було під силу лише хімікам в лабораторіях. Вчені з Каліфорнійського технологічного інституту синтезували бактеріальний фермент, здатний продукувати ці штучні сполуки.
Форма життя на основі кремнію у фантазії художника. Нове дослідження під керівництвом Френсіс Арнольд доводить, що бактерії здатні утворювати органокремнієві сполуки. Це ще не означає, що життя на основі кремнію можливе, однак свідчить про те, що його можна примусити інкорпорувати кремній у свої базові компоненти
Молекули з кремній-карбоновими (органокремнієвими) зв'язками трапляються в багатьох хімічних речовинах, які застосовують, зокрема, у фармацевтичній галузі, сільськогосподарських добривах, під час виготовлення фарб, комп'ютерних моніторів і телеекранів. Досі ці сполуки виготовляли лише синтетично, адже в природі вони не трапляються.
Нове дослідження, своєю чергою, продемонструвало, що їх можна виготовляти і біологічним способом. Причому цей спосіб дешевший та менше забруднює довкілля.
«Ми вирішили "навчити" природу робити те, що досі вдавалося лише хімікам», — каже Френсіс Арнольд, головний автор дослідження, опублікованого в останньому випуску журналу Science. Дослідження команди Арнольд вперше показало, що природні органічні сполуки на основі вуглецю — будівельні блоки життя — можна налаштувати приєднувати до себе кремній. Форми життя, яке функціонує на основі кремнію, до речі, вже тривалий час уявляють собі наукові фантасти (кремезні створіння з назвою «хорта» фіґурували в епізодах серіалу Star Trek у 1960-і). Вуглець і кремній мають багато хімічних подібностей. Обидва ці елементи здатні формувати зв'язки одночасно з чотирма атомами, що добре пристосовує їх до утворення довгих молекулярних ланцюгів, таких як білки чи ДНК, на основі яких функціонує життя.
«Хоч кремній — один з найпоширеніших на Землі елемент, проте жоден вид не зміг поєднати його з вуглецем», — каже співавтор дослідження Дженніфер Кан, постдок з лабораторії Арнольд.
Щоб примусити органічні сполуки приєднувати кремній, дослідники використали метод т. зв. спрямованої еволюції, який Арнольд створила на початку 1990-х. Цей метод дозволяє створювати нові ферменти в лабораторії за допомогою штучної селекції. Для отримання нових органічних каталізаторів білкової природи дослідники, отже, пристосували той самий принцип, який застосовують для селекції сільськогосподарських культур чи свійських тварин. Ферменти — це клас білків, які каталізують (прискорюють) хімічні реакції. Метод спрямованої еволюції починається з пошуку ферменту, який треба модифікувати. Згодом ДНК, яка лежить в його основі, піддають більш-менш випадковим мутаціям, а згодом цей генетично модифікований ензим тестують на наявність потрібних властивостей. Ферменти, які показали себе найкраще, відбирають і знову піддають генетичним мутаціям. Цей процес продовжують доти, поки не отримають фермент, властивості якого в багато разів перевершують властивості ориґіналу.
Метод спрямованої еволюції вже роками використовують для отримання ферментів, які застосовують у виробництві мийних засобів. Крім того, він добре зарекомендував себе у створенні «зелених» способів отримання лікарських засобів, сільськогосподарських хімікатів та палива.
Метою нового дослідження, однак, було не просто поліпшити ориґінальні біологічні функції ферментів, а «переконати» їх робити щось таке, чого вони раніше ніколи не робили. Для цього дослідникам спершу довелось обрати потенційно придатну для цього кандидатуру, тобто фермент, який потенційно міг би утворювати кремній-карбонові зв'язки.
«Це трохи нагадує розведення бігових коней. Добрий селекціонер уміє розпізнати коня, який має чемпіонські прикмети, і обере саме його для селекції потрібних рис. Саме це ми робимо з білками», — каже Арнольд.
Ідеальним варіантом став білок, який продукують бактерії, що живуть у гарячих джерелах в Ісландії. Цей білок називається цитохромом і зазвичай передає електрони іншим білкам, але дослідники встановили, що цю властивість можна використати і для утворення вуглець-кремнієвих зв'язків. Наступним кроком було піддати ДНК цих сполук генетичним мутаціям і протестувати їх здатність формувати органокремнієві зв'язки.
Після лише трьох таких мутацій науковці створили фермент, здатний селективно формувати кремній-карбонові зв'язки у 15 разів ефективніше, ніж найкращі каталізатори, які коли-небудь винаходили хіміки. Крім того, він дуже селективний. Це означає, що цей фермент формує менше небажаних побічних продуктів, які треба вилучати хімічним способом.
Синтетичний процес, створення вуглець-кремнієвих зв'язків, потребує дорогоцінних металів, токсичних розчинників, а також додаткових маніпуляцій для усунення небажаних побічних продуктів.
На питання, чи може життя еволюціонувати на основі кремнію, Арнольд відповідає, що природа потенційно на це здатна. «Це дослідження показує, наскільки швидко природа може пристосовуватися до нових викликів. Унаслідок генетичних мутацій каталітична маширенія клітини може швидко навчитися здійснювати нові хімічні реакції, якщо їй надати нові реагенти та необхідний стимул з боку штучної селекції, — каже дослідниця. — Я думаю, що якби природа потурбувалась, вона могла б і сама до цього дійти».
Bringing silicon to life: Scientists persuade nature to make silicon-carbon bonds
Science Daily, 24/11/2016
Зреферував Євген Ланюк
01.12.2016