_ Predarea naturii să rupă legături chimice create de om

Pentru prima dată, oamenii de știință au conceput o enzimă care poate rupe legăturile încăpățânate create de om dintre siliciu și carbon, care există în substanțele chimice utilizate pe scară largă cunoscute sub numele de siloxani sau siliconi. Descoperirea este un prim pas către biodegradarea substanțelor chimice, care pot persista în mediul înconjurător.

„Natura este un chimist uimitor, iar repertoriul ei include acum ruperea legăturilor din siloxanii care se credea anterior că scăpa de atacul vieții. organisme”, spune Frances Arnold, profesor Linus Pauling de inginerie chimică, bioinginerie și biochimie la Caltech și câștigătoare a Premiului Nobel pentru chimie 2018 pentru munca sa de pionierat în evoluția direcționată, o metodă de inginerie a enzimelor și a altor proteine ​​folosind principiile artificiale. selecție.

Arnold și colegii ei, inclusiv Dimitris (Dimi) Katsoulis de la Dow Inc., cu sediul în Michigan, au folosit evoluția direcționată pentru a crea noua enzimă de scindare a legăturilor siliciu-carbon. Rezultatele sunt publicate în revista Science.

Cercetătorii spun că, în timp ce utilizările practice ale enzimei lor modificate ar putea fi încă la un deceniu sau mai mult, dezvoltarea sa deschide posibilitatea ca siloxanii să poată fi degradați biologic într-o zi.

„De exemplu, organismele naturale ar putea evolua în medii bogate în siloxani pentru a cataliza o reacție similară, sau versiuni îmbunătățite în continuare ale enzimelor dezvoltate în laborator, cum ar fi aceasta, ar putea fi utilizate pentru a trata contaminanții cu siloxani din apele uzate, „, spune Arnold.

Katsoulis explică că natura nu folosește legături siliciu-carbon, „dar noi facem și am fost de aproximativ 80 de ani. Natura volatilă a unora dintre acești compuși justifică cercetarea în domeniul sănătății și al mediului. înțelegeți în mod corespunzător mecanismele de degradare a acestor materiale în mediu.”

Sustanțele chimice siloxanice pot fi găsite în nenumărate produse, inclusiv în cele utilizate în curățarea gospodăriei, îngrijirea personală și industria auto, construcții, electronice și industria aerospațială. . Coloana vertebrală chimică a compușilor este formată din legături siliciu-oxigen, în timp ce grupele care conțin carbon, adesea metil, sunt atașate atomilor de siliciu.

„Colatura principală siliciu-oxigen conferă polimerului un caracter anorganic. în timp ce grupările de siliciu-metil conferă polimerului caracteristici asemănătoare organice. Astfel, acești polimeri au proprietăți unice ale materialelor, cum ar fi stabilitate termică și oxidativă ridicată, tensiune superficială scăzută și flexibilitate ridicată a coloanei vertebrale, printre altele", spune Katsoulis.

Se crede că siloxanii persistă în mediul înconjurător de la câteva zile la luni și, prin urmare, cercetările în curs urmăresc să ofere o mai bună înțelegere științifică a sănătății și a siguranței mediului înconjurător a materialelor siliconice.

Sustanțele chimice încep în mod natural să apară. se fragmentează în bucăți mai mici, în special în sol sau în mediile acvatice, iar acele fragmente devin volatile sau scapă în aer, unde se degradează prin reacția cu radicalii liberi din atmosferă. Dintre toate legăturile din siloxani, legăturile siliciu-carbon sunt cele mai lente de destrămat.

Katsoulis l-a abordat pe Arnold pentru a colabora la eforturile de a accelera degradarea siloxanului după ce a citit despre munca ei de laborator în a convinge natura să producă legături siliciu-carbon. În 2016, Arnold și colegii ei au folosit evoluția direcționată pentru a proiecta o proteină bacteriană numită citocrom c pentru a forma legături siliciu-carbon, un proces care nu are loc în natură.

„Am decis să facem natura să facă ceea ce numai chimiștii ar putea face – doar mai bine”, a spus Arnold. Cercetarea a demonstrat că biologia ar putea crea aceste legături în moduri care sunt mai ecologice decât cele folosite în mod tradițional de chimiști.

În noul studiu, cercetătorii au vrut să găsească modalități de a rupe legăturile, mai degrabă decât de a le crea. Oamenii de știință au folosit evoluția direcționată pentru a dezvolta o enzimă bacteriană numită citocrom P450.

Evoluția direcționată este similară cu creșterea câinilor sau cailor, prin aceea că procesul este conceput pentru a scoate în evidență trăsăturile dorite. Cercetătorii au identificat pentru prima dată o variantă a citocromului P450 în colecția lor de enzime care avea o capacitate foarte slabă de a rupe legăturile siliciu-carbon în așa-numiții metilsiloxani volatili liniari și ciclici, un subgrup comun al familiei siloxanilor.

Au mutat ADN-ul citocromului P450 și au testat noile enzime variante. Cei mai buni performanți au fost apoi mutați din nou, iar testarea a fost repetată până când enzima a fost suficient de activă pentru a permite cercetătorilor să identifice produsele reacției și să studieze mecanismul prin care funcționează enzima.

„Evoluția enzimelor”. pentru a rupe aceste legături în siloxani a prezentat obstacole unice. Cu evoluția direcționată, trebuie să evaluăm sute de enzime noi în paralel pentru a identifica câteva variante de enzime cu activitate îmbunătățită", spune Tyler Fulton (Ph.D.), co-autor principal al studiului. studiu și un cercetător post-doctoral la Caltech în laboratorul lui Arnold.

O provocare a implicat moleculele de siloxan care levăau componentele din plastic din plăcile cu 96 de godeuri utilizate pentru a verifica variantele. Pentru a rezolva problema, echipa a creat noi plăci fabricate din materiale de laborator obișnuite.

„O altă provocare a fost găsirea enzimei de pornire pentru procesul de evoluție direcționată, una cu chiar și o cantitate mică din activitatea dorită.” spune Arnold. „L-am găsit în colecția noastră unică de citocrom P450, evoluat în laborator pentru alte tipuri de chimie a siliciului nou în natură.”

Enzima îmbunătățită finală nu scindează direct legătura siliciu-carbon, ci mai degrabă. oxidează o grupare metil din siloxani în două etape succesive. Practic, aceasta înseamnă că două legături carbon-hidrogen sunt înlocuite cu legături carbon-oxigen, iar această schimbare permite ca legătura siliciu-carbon să se rupă mai ușor.

Cercetarea face paralele cu studiile care implică un consum de plastic. enzimă, explică Fulton, referindu-se la o enzimă de degradare a polietilen tereftalat (PET) descoperită în bacteria Ideonella sakaiensis în 2016 de către un alt grup de cercetători.

„În timp ce enzima care degrada PET-ul a fost descoperită de natură, mai degrabă. decât de către ingineri, acea enzimă a inspirat alte inovații care se concretizează în sfârșit pentru degradarea plasticului. Sperăm că această demonstrație va inspira în mod similar lucrări suplimentare pentru a ajuta la descompunerea compușilor siloxani", spune el.

(Fluierul)