硅基生命來臨？科學家教會細菌合成碳硅鍵

對細菌中的酶進行改造，可以讓它形成硅－碳鍵，這是幾十億年自然演化都未能出現的。

撰文 達維德·卡斯泰爾韋奇（Davide Castelvecchi）

翻譯 柏華元

審校 丁家琦

科學家從冰島溫泉里一種細菌內部發現了能夠鍵接碳和硅的酶，該細菌在著名的藍潟湖（Blue Lagoon）中也有分布。圖片來源：Sarah1990

我們的身邊到處都有硅：它是地球上儲量僅次於氧的元素。然而，為何生物體從未將其納入生化機制呢？這在長期以來都是個謎。

不過，化學工程師目前發現，對有機生命體進行微調，可以讓它們把碳原子和硅原子用化學鍵連接起來。他們通過研究表明，一種生活在溫泉中的細菌形成的天然酶物質可以在活體大腸桿菌（Escherichia coli）細胞內形成 C-Si 鍵，只要給細胞提供合適的含硅化合物。通過對這種酶進行設計改造，研究者們研製出了比任何人工催化劑都更加高效的生物催化劑。

這一發現能夠幫助化學家開發新的製藥工藝以及工業合成催化劑，或許還可以解釋為什麼生物在長期的演化過程中幾乎從未將硅元素納入其中。

無處容硅？

自然界在生物化學當中利用了相當多的常見金屬元素，典型的案例就是紅細胞中的鐵元素以及葉綠素中的鎂元素。但是硅這種兼具金屬和非金屬性質的元素似乎只能出現在生物無機化合物當中，例如單細胞硅藻中的硅殼（註：硅藻的細胞壁由兩個獨立的半片硅制殼面組成），但它從來沒有出現在有機生物體的碳鏈當中。

諾貝爾化學獎得主、來自康奈爾大學的羅德·霍夫曼（Roald Hoffmann）說道：「可憐的硅，在地球上儲量那麼多，卻因為生物體的謎之遺傳特徵而被生物圈拒之門外。」

研究者們早已能夠利用人工催化劑將硅和碳原子連接在一起，不過加州理工學院的化學工程師弗朗西斯·阿諾德（Frances Arnold）卻想知道，一些生物合成酶是否也能在某種條件下把硅和碳通過化學鍵連接起來。

她和同事們在蛋白質資料庫中發現了相當多有希望的酶。幾番篩查之後，他們確定了一種來自海洋紅嗜熱鹽菌（Rhodothermus marinus）的酶，這種極端環境細菌生活在冰島海底溫泉里。研究者合成了生成該種酶的基因，並將其植入大腸桿菌當中。

他們的猜想被證實了：如果提供合適的含硅前驅體，這種酶就能夠催化碳硅進行鍵接（這在通常環境下並不會發生，因為細菌在自然條件下不會產生含硅化合物）。「只要提供了人造的含硅化合物，大自然就能實現生產含硅有機化合物這種看似荒唐的事情，這真是令人驚嘆。」阿諾德說。

高效量產

不過，通過改造大腸桿菌的方式來合成硅－碳化合物的效率並不高。因而團隊在酶的活性區域引入突變，然後選取活性提升的細菌。經過幾代突變和篩選，足以顯著提升酶的產量——完爆那些人工合成的催化劑。這一結果發表在9月 24日的Science[1] 上。

「阿諾德團隊巧妙地將優秀的化學工作和定向進化（directed evolution）結合起來，以特別的方式產生了這種能夠形成碳－硅鍵的酶，」霍夫曼說，「真是漂亮的研究，它開創了嶄新的化學。」

阿諾德20世紀90年代發展的定向進化技術[2]目前應用廣泛，不管是改進洗滌劑成分還是合成醫用藥物都有它的用武之地。因為該項工作，她摘得了今年的「新千年技術獎」（Millennium Technology Prize），獎金100萬歐元（合110萬美元）。

「這為藥學研究打開了一扇全新的大門，或許會引領新葯的發現。」以色列理工學院的有機藥物專家伊扎克·阿佩羅伊格（Yitzhak Apeloig）如是說。

阿諾德稱，這些發現對於解決早期生命演化的基本問題也很有幫助，尤其或許能解答自然對於硅的忽略是偶然結果還是有意為之的問題。「我們可以開始探索將硅納入生命體的成本和效益了。」

參考文獻

1.Kan, S. B. J., Lewis, R. D., Chen, K. & Arnold, F. H. Science 354, 1048–1051 (2016).

2.Arnold, F. H. Trends Biotechnol. 8, 244–249 (1990).

http://www.nature.com/news/living-cells-bind-silicon-and-carbon-for-the-first-time-1.21037

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