Бактеріальний білок навчили з'єднувати вуглець з кремнієм.
Земне життя часто називають вуглецевої. Особливі хімічні властивості вуглецю дозволяють робити з нього довгі молекулярні ланцюги, в тому числі і розгалужені, а якщо ми подивимося на молекули білків, нуклеїнових кислот і ліпідів, то як раз такі ланцюга і побачимо - переважно вуглецеві, хоча і за участю інших атомів.
Структура одного зі штучних кремнійорганічних з'єднань під мікроскопом. (Фото: R. Tanaka / Flickr.com .) Бактерії Rhodothermus marinus, чий білок модифікували для роботи з кремнієм. (Фото: Microbewiki .)
<
>
Але вуглець такий не один - на нього дуже схожий кремній, якого до того ж в земній корі в 150 разів більше, ніж вуглецю (кремній взагалі один з найпоширеніших елементів у Всесвіті). Більш того, хоча життя на Землі і пішла з вуглецевого шляху, деякі живі організми кремнієм не зневажають: він потрібен рослинам як фактор родючості (В рослинних клітинах можна навіть знайти фітоліти - мікроскопічні частинки діоксиду кремнію SiO2), а діатомові водорості той же діоксид кремнію використовують для побудови захисного панцира.
Однак в біомолекул кремнію немає. Хіміки, звичайно, давно навчилися синтезувати вуглецево-кремнієві молекули - такі кремнийорганические з'єднання можна знайти в фармацевтиці, серед барвників, ущільнювачів, гербіцидів і т. Д. Але, повторимо, у живих організмів немає ферментів, які могли б маніпулювати кремнієвими сполуками.
І ось співробітникам Каліфорнійського технологічного інституту такий фермент зробити вдалося. Френсіс Арнольд (Francis H. Arnold) і її колеги використовували еволюційний підхід, тобто спочатку вони з усього різноманіття білків знайшли такі, які в принципі могли б працювати з кремнієм, після чого почали вносити в ці молекули більш-менш випадкові мутації. Через мутацій в білку змінювалася послідовність амінокислот, а значить, змінювалися властивості всієї білкової молекули, в тому числі і її схильність працювати з тим чи іншим хімічним субстратом. Після кожної мутації білки перевіряли на предмет того, як вони ставляться до кремнію.
В експерименті спочатку «брали участь» не абсолютно все ферменти, які тільки можна знайти в живій природі, а ті, що містять хімічну групу під назвою гем. Найвідоміший гем-містить білок - гемоглобін, який переносить кисень. Але є також досить багато білків, які використовують гем для виконання хімічних реакцій: у геме укладено атом заліза, і саме завдяки залозу, яке в геме легко приймає і віддає електрони, маніпуляції з хімічними зв'язками стають сильно простіше з фізико-хімічної точки зору.
Важливу роль білки з гемом грають в дихальної ланцюга мітохондрій. Нагадаємо, що суть дихальної ланцюга в тому, щоб окислити якусь органічну молекулу, а отриману в результаті енергію укласти в зручній для клітини формі; окислення відбувається досить складно і за участю відразу кілька білків, серед яких левову частину роботи виконують гем-містять цитохроми.
В результаті штучної еволюції, яка повинна була зробити білкові молекули здатними працювати з кремнієм, вперед вирвався білок під назвою цитохром з бактерії Rhodothermus marinus. У статті в Science йдеться, що цього цитохрому вистачило зовсім трохи мутацій, щоб за допомогою гема і заліза в ньому навчитися створювати хімічні зв'язки між вуглецем і кремнієм; причому ефективність його виявилася в п'ятнадцять разів вище, ніж у самого кращого методу хімічного синтезу, використовуваного з тією ж метою. Модифікований цитохром з синтезував двадцять різних вуглецево-кремнієвих з'єднань, дев'ятнадцять з яких хіміки досі могли уявити хіба що в теорії.
Але все це цитохром проробляв, так би мовити, в пробірці, а ось що щодо справжньої клітини? Коли ген такого білка ввели в ДНК кишкової палички, то виявилося, що в ній цитохром працює так само, як і в реакційній суміші: в клітинах кишкової палички з'явилися вуглецево-кремнієві сполуки. Якщо врахувати, що для нових функцій білку знадобилося не дуже багато мутацій, то можна уявити, що в один прекрасний день земні бактерії навчаться-таки використовувати кремній, і тоді кремнієва (або кремнийорганическая) життя, яку фантасти і астробіологи шукають на інших планетах, розквітне прямо у нас під боком.
З іншого боку, кремнієва життя все-таки до цих пір чомусь на Землі не розквітла, хоча кремнію тут більш ніж достатньо. Передбачається, що так вийшло тому, що кремній, при всій своїй схожості з вуглецем, все-таки не володіє такою, як у вуглецю, пластичністю в формуванні хімічних зв'язків з іншими елементами, так що потенційне розмаїття кремнійорганічних біомолекул виявляється не таким вже й великим.
Можливо, новий фермент допоможе експериментально перевірити цю гіпотезу. Що до більш приземлених матерій, то автори роботи вважають, що модифікований цитохром (або якісь інші схожі на нього білки) стане в нагоді у виробництві кремнійорганічних сполук - тим більше що непотрібних побічних продуктів у нього утворюється зовсім небагато.
за матеріалами LiveScience .