第一个形成碳硅键的工程酶

美国科学家已经设计出一种蛋白质，可以催化碳硅键形成反应，这种反应在自然界中从未见过。这种酶有一天可以为研究人员提供一种方法，使硅基杂交生物通常只存在于科幻小说领域。

尽管硅在元素周期表中位于碳的正下方，并具有许多相同的化学性质，但迄今为止还没有发现任何生物有机体能形成碳硅键。

现在，一组科学家由弗朗西斯·阿诺德加州理工学院(CalTech)的一名研究人员发明了一种新的酶，这种酶不仅能产生有机硅化合物，而且比最著名的合成催化剂效率更高。酶催化碳烯插入到硅氢键几乎完美的对映控制。

“这项工作是利用生物学来制造碳硅键，这是自然界从未做过的事情——尽管硅是地球上第二丰富的元素，”参与该项目的詹妮弗·坎(Jennifer Kan)说。

研究小组重新利用从冰岛发现的一种细菌中分离出来的细胞色素c“血红素蛋白”来催化不同于其作为电子转移剂的天然生物功能的反应。Kan解释说:“我们发现，当我们为一些含铁蛋白质提供适当的碳和硅来源时，许多这些蛋白质实际上有能力形成碳硅键。”最初的活跃度通常非常非常低。但我们可以通过在实验室进行进化来显著提高这种能力。”

Kan提到的定向进化涉及细胞色素c蛋白中特定氨基酸群的靶向突变，以产生具有增强活性的新酶。研究小组证明，当这些酶在体内表达时，甚至可以在体内进行反应大肠杆菌细胞。

Kan说:“我们证明了在生物学中没有观察到的化学键实际上可以通过生物催化的方式以突出的效率和明确的可调节的选择性形成。”“通过这样做，我们为生物学提供了一个以前只对合成化学开放的化学空间。”

曼弗雷德Reetz德国马普煤炭研究所(Max Planck Institute for Coal Research, Mulheim)的生物催化专家马普说，虽然在通常与合成过渡金属配合物有关的反应中已经测试了许多天然和进化的金属酶，但同时提供更高活性和选择性的酶的例子很少。他观察到:“阿诺德系统的优势在于，除了相当广泛的底物接受度外，蛋白质结合袋中出现的异常高的周转率。”

Kan指出，使用可再生和可生物降解的酶代替贵金属催化剂也能带来环境效益。她说:“所有的化学反应都是在生理条件下进行的，比如在室温和中性pH下的水中。”Kan还提到了这种新型生物催化剂令人惊讶的稳定性:“因为我们的酶最初来自于在冰岛温泉中发现的一种细菌，所以它非常稳定——这种酶可以煮沸或高压灭菌，之后仍能发挥作用，并进行选择性催化。”

保罗Dalby英国伦敦大学学院的生化工程师，他认为这种酶的方法“为更有效地合成含硅药物化合物铺平了道路”，而不需要广泛的保护基团策略。

在加州理工学院的一段关于他们研究的视频中，阿诺德思考了这些新的生物催化剂可以帮助回答的问题:“我们可以开始第一次问:‘如果你在生命系统中用硅代替碳会发生什么?’”除非你有能够形成这些键的生物，否则很难用化学方法探索这一点。”

她并不是唯一一个对未来生物系统的可能性感到兴奋的人。“这项工作也为合成生物学开辟了新的途径，例如代谢途径可以被改造。大肠杆菌多尔比若有所思地说。“谁知道呢?我们可能正朝着碳硅混合合成生命系统迈出第一步。”