Модифицированная молекула внедрила в живые клетки "невозможные" химические элементы

Белок, созданный учёными, способен скреплять два "несоединённых" химических элемента √ углерод и кремний.

Фото с сайта healthcaredailyonline.com.

Художественное представление о том, как бы выглядела жизнь, основанная на кремнии.

Фото Lei Chen и Yan Liang (BeautyOfScience.com), Caltech.

Учёные из США создали белок, способный соединять атомы углерода и кремния. Такое нововведение может изменить способ производства широкого спектра различных продуктов – от лекарственных средств до светодиодных лам, полупроводников и компьютерных дисплеев.

Кремний является вторым из наиболее распространённых элементов в земной коре, но он в естественных условиях никогда не соединяется с углеродом. По этой причине производители должны использовать искусственные ухищрения, чтобы создавать вещества, объединяющие два эти элемента в одной молекуле. Такие вещества называются кремнийорганическими.

По словам Фрэнсис Арнольд (Frances Arnold) из Калифорнийского технологического института, было бы намного удобнее и, вероятно, даже дешевле, если бы можно было создавать такие же соединения биологическими методами. Но до настоящего момента учёным просто не удавалось отыскать в природе или создать реакцию, которая бы приводила к нужному результату.

Арнольд и её коллеги выявили белок, который может сделать эту работу – соединить несоединяемое. Исследовательская группа создала его с помощью процесса искусственного отбора, который называется направленное развитие (directed evolution). Эта технология была создана группой Арнольд в 90-х годах прошлого века. Новый белок позволил создать методику скрепления двух элементов в одной молекуле, которая превосходит все другие существующие решения.

"Исследование стало прекрасной демонстрацией того, как быстро природа может адаптироваться к решению проблемы", — отмечает Арнольд.

Художественное представление о том, как бы выглядела жизнь, основанная на кремнии.

Специалисты начали работу с белка, найденного в геномной последовательности микроорганизма вида Rhodothermus marinus – бактерии, которая первоначально была обнаружена в исландских горячих источниках.

Выделенный белок называется фермент цитохрома c (cytochrome c enzyme). Ферменты, напомним, ускоряют самые разные реакции, облегчая их прохождение. Первые лабораторные тестирования показали, что с помощью "направленной эволюции" (того процесса, о котором рассказывалось выше) можно создать тип соединения, который исследователи так долго искали.

Поначалу они заставили производить белок кишечную палочку (E. coli), которую "кормили" веществами, содержащими кремний. После с помощью выборочных мутаций ДНК учёные модифицировали фермент. Каждый раз они выбирали наиболее перспективных кандидатов и инициировали изменения снова и снова, опять же отбирая лучшую "скаковую лошадь".

После трёх этапов мутации белок смог объединить кремний с углеродом в 15 раз эффективнее, чем другие химические катализаторы. Такое соединение также было высокоизбирательным и давало меньше нежелательных побочных продуктов, которые впоследствии надо отделять (а сделать это не всегда просто).

 

"Результаты представляют собой то, о чём люди давно говорили, о чем мечтали и чего очень хотели добиться", — говорит Аннализ Франц (Annaliese Franz) из Университета Калифорнии. Она представляет, что этот процесс будет особенно полезным для фармацевтики и создания новых лекарств, поскольку "органический кремний" используется в ряде лекарственных препаратов.

Кроме того, исследование может подсказать нам, как бы выглядела кремниевая форма жизни – здесь или на другой планете, добавляет Арнольд.

Исследование опубликовано в научном издании Science.

Добавим, что ранее учёные сообщали о том, что ими была найдена форма жизни, содержащаяся в своём составе смертоносный мышьяк. Однако позднее в измерениях и выводах исследователей были найдены ошибки.