Химики заставили белки живого существа вступить в "неестественную" связь

Калифорнийские исследователи "научили" бактериальный белок образовывать химические связи с атомами кремния. Кремнийорганические соединения широко распространены едва ли не во всех областях человеческой деятельности — от краски и покрытий до наполнителей грудных имплантатов и лекарств. Однако все они являются синтетическими: в живой природе связи между углеродом и кремнием не встречаются. Новая статья, опубликованная в журнале Science, показывает, что их вполне можно получать и биологическим путем.

Учёные использовали в своей работе белок цитохром С от бактерии Rhodothermus marinus, обитающей в горячих источниках в Исландии. Он принадлежит к гемовым белкам, знакомым каждому по гемоглобину, придающему нашей крови красный цвет. В природных условиях данный белок работает посредником: передаёт электроны, получаемые бактерией в ходе хемосинтеза, другим белкам этого микроорганизма. По химическим качествам он показался исследователям перспективным кандидатом на присоединение атомов кремния. В нём был содержащий железо участок, потенциально пригодный для запуска процесса образования связей с кремнием.

Затем исследователи использовали метод так называемой управляемой эволюции. В его рамках в лабораториях получают ферменты (молекулы, ускоряющие химические реакции) с помощью искусственного отбора. По сходному принципу селекционеры создают породы сельскохозяйственных растений и животных. Каждый белок, в том числе и фермент, кодируется ДНК. Поэтому экспериментаторы подвергают интересующие их участки ДНК действию искусственных мутагенов. Как следствие, гены мутируют. Это отражается на структуре ферментов, кодируемых этими генами. Если получившиеся ферменты обладают нужными учёным характеристиками, их оставляют для дальнейшего отбора. Затем процесс повторяется с этим "мутировавшими" ферментами, и так вплоть до получения нужного результата.

После окончания трёх циклов такого направленного отбора учёные получили фермент, который помогает образовывать углерод-кремниевые связи в 15 раз лучше, чем самые эффективные катализаторы, созданные ранее химиками. Из-за высокой избирательности при таком биосинтезе почти не возникают побочные продукты реакции. К тому же новый биокатализатор дешевле и безопаснее аналогов: с ним не нужны токсичные растворители. Реакция с его участием идёт в воде при комнатной температуре, то есть не требует затрат энергии на подгорев, как современные промышленные методы получения кремнийорганических соединений.

Кремний и углерод имеют схожие химические свойства — могут образовывать связи сразу с четырьмя атомами. Это позволяет создавать на их основе длинные молекулы, такие, как ДНК. Несмотря на это, ни в одном живом организме нет молекул, объединяющих углерод и кремний. В свете этого чрезвычайно странно то, что исследователи смогли так быстро и легко получить углерод-кремниевые связи на основе отбора среди бактериальных белков. Теоретически это может значить, что живые существа в природе также могут образовывать кремнийорганические соединения. Однако совершенно неясно, почему это ещё не происходило на Земле. Ранее ряд исследователей выдвигал спекулятивные предположения, что на других планетах жизнь может иметь кремнийорганическую основу.

Открытие, если оно подтвердится, может иметь самое широкое применение в разных сферах человеческой деятельности – от производства лекарств до получения смазок и антикоррозийных покрытий. Во всех этих областях используют химически синтезированные кремнийорганические соединения. Новый фермент может резко упростить их промышленный синтез.