教导自然打破人为的化学键

科学家们首次设计了一种酶，可以破坏硅和碳之间顽固的人造键，这些键存在于广泛使用的化学物质中，称为硅氧烷或有机硅。这一发现是使可能在环境中徘徊的化学物质可生物降解的第一步。

“大自然是一位了不起的化学家，她的曲目现在包括破坏硅氧烷中的键，以前被认为可以逃避生物体的攻击，”加州理工学院化学工程、生物工程和生物化学莱纳斯鲍林教授弗朗西斯·阿诺德说，她因在定向进化方面的开创性工作而获得 2018 年诺贝尔化学奖，定向进化是一种利用人工选择原理设计酶和其他蛋白质的方法。阿诺德和她的同事，包括密歇根州陶氏公司的迪米特里斯（Dimi）Katsoulis，使用定向进化创造了新的硅-碳键裂解酶。研究结果发表在1月26日的《 科学》杂志上。

研究人员表示，虽然他们的工程酶的实际用途可能还需要十年或更长时间，但它的发展为硅氧烷有朝一日可能被生物降解提供了可能性。“例如，天然生物体可以在富含硅氧烷的环境中进化以催化类似的反应，或者实验室进化的酶的进一步改进版本，例如这种酶，可用于处理废水中的硅氧烷污染物，”阿诺德说。

Katsoulis解释说，自然界不使用硅碳键，“ 但我们 确实使用，并且已经有大约80年的历史了。其中一些化合物的挥发性值得健康和环境研究，以正确了解这些材料在环境中的降解机制。

硅氧烷化学品存在于无数产品中，包括用于家庭清洁、个人护理以及汽车、建筑、电子和航空航天工业的产品。这些化合物的化学主链由硅–氧键组成，而含碳基团（通常是甲基）则附着在硅原子上。“硅氧主链赋予聚合物类无机特性，而硅甲基赋予聚合物类有机特性。因此，这些聚合物具有独特的材料特性，例如高热稳定性和氧化稳定性、低表面张力和高主链柔韧性等，“Katsoulis说。

硅氧烷被认为可以在环境中持续数天至数月，因此，正在进行的研究旨在为有机硅材料的健康和环境安全性提供更深入的科学理解。这些化学物质自然开始碎裂成更小的碎片，特别是在土壤或水生环境中，这些碎片变得易挥发或逃逸到空气中，在那里它们通过与大气中的自由基反应而发生降解。在硅氧烷中的所有键中，硅碳键的分解速度最慢。

Katsoulis在读到她的实验室在哄骗自然界产生硅碳键方面的工作后，与Arnold合作，努力加速硅氧烷降解。2016年，阿诺德和她的同事们利用定向进化来设计一种名为细胞色素 c 的细菌蛋白，以形成硅碳键，这一过程在自然界中不会发生。“我们决定让大自然做只有化学家才能做的事情——只有更好，”阿诺德在加州理工学院的新闻稿中说。研究表明，生物学可以以比化学家传统上使用的方式更环保的方式制造这些键。

在这项新研究中，研究人员希望找到打破纽带的方法，而不是创造它们。科学家们使用定向进化来进化一种称为细胞色素P450的细菌酶。定向进化类似于繁殖狗或马，因为该过程旨在带出所需的特征。研究人员首先在他们的酶集合中发现了细胞色素P450的变体，该酶在所谓的线性和环状挥发性甲基硅氧烷（硅氧烷家族的一个常见亚群）中具有非常弱的破坏硅碳键的能力。

他们突变了细胞色素P450的DNA，并测试了新的变异酶。然后，表现最好的酶再次发生突变，并重复测试，直到酶具有足够的活性，使研究人员能够识别反应产物并研究酶的工作机制。

“进化酶以破坏硅氧烷中的这些键带来了独特的障碍。通过定向进化，我们必须同时评估数百种新酶，以确定一些具有改进活性的酶变体，“该研究的共同主要作者、加州理工学院阿诺德实验室的博士后学者Tyler Fulton（博士’22）说。其中一项挑战涉及硅氧烷分子从用于筛选变体的 96 孔板中浸出塑料成分。为了解决这个问题，该团队创造了由普通实验室用品制成的新板。

“另一个挑战是找到定向进化过程的起始酶，即使只有少量的所需活性，”阿诺德说。“我们在实验室中为其他类型的新型硅化学而进化的细胞色素P450的独特系列中发现了它。

最终改进的酶不直接切割硅碳键，而是通过两个连续步骤氧化硅氧烷中的甲基。基本上，这意味着两个碳-氢键被碳-氧键取代，这种变化使硅–碳键更容易断裂。

Fulton解释说，这项研究与涉及塑料食化酶的研究相似，指的是2016年由另一组研究人员在细菌 Ideonella sakaiensis 中发现的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）降解酶。“虽然PET降解酶是由自然界而不是工程师发现的，但这种酶激发了其他创新，这些创新最终在塑料降解方面取得了成果。我们希望这次演示同样能激发进一步的工作，以帮助分解硅氧烷化合物，“他说。

这篇题为“硅氧烷中酶促硅-碳键裂解的定向进化”的科学论文由陶氏大学合作计划和美国国家科学基金会资助。加州理工学院的其他作者包括共同主要作者Nicholas Sarai（PhD ’23），以及研究生Ryen L. O’Meara，Kadina E. Johnston（PhD ’23）和Arnold实验室经理Sabine Brinkmann-Chen。陶氏的其他作者包括 Ryan R. Maar、Ron E. Tecklenburg、John M. Roberts 和 Jordan CT Reddel。