Science：活細胞內首次實現硅和碳的結合

知識 11-28

硅元素（silicon，Si）是地殼中第二豐富的元素（26.4%），僅次於第一位的氧（49.4%）。我們都知道，構成生物體的大量元素包括C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、Cl、Fe等，幾乎不涉及硅元素。那麼，為什麼生命體沒有將其融入自身呢？這一直是個謎。

近期，來自於加州理工學院的化學工程師Frances Arnold帶領團隊卻在細胞內首次實現了硅和碳的結合。他們篩選到一種天然酶類，存在於生活在極端環境的細菌體內。這種酶能夠在大腸桿菌細胞內表達，並催化培養基中的硅元素與細胞內的碳元素結合。

為了提高結合效率，研究團隊對天然酶進行改造，使其成為全新的生物催化，能夠以前所未有的效率完成催化。相關研究成果於11月24日發表在《Science》期刊。

這一發現能夠幫助化學家開發出新的藥物和工業催化劑，或許還有望用於解釋為什麼生命進化幾乎完全避開了硅元素。

硅與碳「共舞」？

我們知道，一些常見的金屬元素參與構成生命體、參與生理過程，例如紅細胞中的鐵元素、葉綠素中的鎂元素。但是，硅元素似乎只以無機化合物的面目存在於細胞中，例如單細胞藻類硅藻表面覆蓋的硅質細胞壁，其主要成分是二氧化硅。硅元素從未進入以碳元素為基礎的有機生命鏈中。

1981年諾貝爾化學獎獲得者之一、康奈爾大學的化學家Roald Hoffmann曾表示：「硅元素是構成地殼結構的主要元素，但是卻未在漫漫進化史中融入生物圈。」

過去，已有科學家找到了利用人工催化劑將碳和硅結合在一起的方法。但是Frances Arnold卻試圖尋找能夠實現碳-硅結合的酶類。

Arnold團隊通過檢索蛋白質資料庫，找到了幾十個有潛力的酶。經過重重篩選，他們鎖定了一種天然酶，它們存在於一種生活在冰島溫泉極端環境中的細菌Rhodothermus marinus體內。隨後，他們合成了酶蛋白，並將其編碼基因插入到大腸桿菌中。

一系列試驗證實他們的推測是正確的：如果轉基因大腸桿菌被培養在含有硅元素的培養基中，這一天然酶能夠催化硅-碳結合。正常情況下，這種催化作用並不會啟動，因為Rhodothermus marinus細菌不會生存在含有硅元素的環境中。

改造酶類，提高效率

研究人員發現，重組後的大腸桿菌並不能有效地合成硅-碳化合物。為了提高效率，他們對酶基因進行突變，最終篩選到理想中的酶。而且，改造後的酶的催化效率遠遠趕超人工催化劑。

上世紀90年代，Arnold就已經開發了定向進化技術，目前廣泛應用於多領域，例如改善洗滌劑、合成化葯。她曾因此獲得過千禧技術獎。

Hoffmann評價Arnold團隊研究成果時表示：「這項工作開創了新的化學之美。」以色列理工學院技術研究所致力於有機化學研究的Yitzhak Apeloig 認為：「這一最新研究為製藥研究開闢了新機遇，有望促進新藥物的研發。」

Arnold強調：「研究結果也可以幫助解決生命早期演化的基礎問題，例如生命體『繞開』硅元素的原因。我們可以試圖計算將硅元素融入細胞的成本和收益。」

備註：文章參考自「Living cells bind silicon and carbon for the first time」。

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