Первый шаг к «кремниевой» жизни?

Модифицированные белки-гемопротеины могут катализировать образование связи углерод-­кремний

Исследователи из США модифицировали ферменты, после чего смогли катализировать образование связей углерод­-кремний — процесса, абсолютно чуждого для биохимии земных организмов («Science», 2016, 354, 6315, 1048—1051, doi: 10.1126/science.aah6219). Когда-­нибудь подобные ферменты помогут исследователям создавать гибридные кремний-­углеродные формы жизни, которые пока существуют только в фантастических мирах.
Несмотря на то что кремний и углерод располагаются в одной группе Периодической системы и многие (хотя не все) их химические свойства похожи, науке ничего не известно об организмах, умеющих синтезировать вещества со связью C–Si. Группе исследователей, работающих под руководством специалиста в области направленной эволюции Френсис Арнольд из Калифорнийского технологического института, удалось заставить ферменты эволюционировать таким образом, что они стали способны ускорять образование кремнийорганических соединений. Причем более эффективно, чем это делают синтетические катализаторы. Полученные в лаборатории ферменты катализируют внедрение карбенов в связь кремний­-водород, при этом реакция протекает с практически идеальным стереохимическим результатом.
Исследователи научили новым трюкам гемопротеины, выделенные из организма аэробных термофильных бактерий Rhodothermus marinus. В клетке бактерии эти сложные белки способствуют переносу электронов, в хорошо всем известных окислительно-­восстановительных реакциях. Исследователи обнаружили, что если в среду, в которой находятся белковые комплексы, включающие в себя цитохром с, добавить подходящие источники углерода и кремния, то многие из этих ферментов начинают катализировать образование связи C–Si, правда, с низкой активностью и практически неселективно. Для увеличения производительности белков­катализаторов исследователи решили провести их направленную и ускоренную эволюцию в лабораторных условиях.
Направленная эволюция фермента значительно увеличила эффективность и селективность. Она заключалась в замене одних аминокислотных остатков другими вблизи активного центра фермента. Исследователи продемонстрировали, что модифицированный фермент могут синтезировать клетки кишечной палочки, а также что он катализирует образование связи C–Si in vivo. А значит, соединения, совершенно чуждые живой природе, можно получать с помощью биотехнологий, заставив микроорганизмы их синтезировать.
Специалист по биокаталитическим процессам Манфред Ритц (Германия) считает, что большинство изученных в последнее время природных и видоизмененных металлоферментов уступают по эффективности катализаторам на основе переходных металлов, а таких примеров, чтобы фермент превосходил металлокомплекс в нетипичных для этого фермента реакциях, практически нет. Поэтому каталитическая система, разработанная Арнольд, кажется вдвойне привлекательной — фермент, созданный путем направленной эволюции, не только научился выполнять нетипичную для него работу, но и делает это лучше, чем комплексы переходных металлов, обычно применяющиеся для получения связи C–Si.
Исследователи из группы Арнольд отмечают, что если возобновляемые и биоразлагаемые катализаторы-­ферменты заменят металлокомплексные катализаторы (которые используют сейчас), то они решат и ряд проблем, связанных с сохранением окружающей среды. Ферментативные реакции протекают в физиологических условиях — в воде, при температуре, близкой к комнатной и при нейтральных значениях рН. Но поскольку исходный белок, подвергшийся трансформации, взяли из бактерий, обитающих в горячих источниках Исландии, его измененная версия также отличается исключительной устойчивостью, сохраняя свою каталитическую активность даже после длительного кипячения в автоклаве. Уже сейчас с ее помощью можно синтезировать некоторые лекарственные препараты, в которых есть связь между кремнием и углеродом. А в перспективе, вполне возможно, найдется и ответ на вопрос, который до сих пор решались задать только фантасты: «Что произойдет, если заменить углерод живой ткани на кремний?»