Среда, 21 февраля, 2024
ДомойХимияЛомая нерушимое: ученые Калифорнийского технологического института разработали фермент, разрушающий кремний-углеродные связи в...

Ломая нерушимое: ученые Калифорнийского технологического института разработали фермент, разрушающий кремний-углеродные связи в силиконах

- Advertisement -

Ученые разработали фермент, разрушающий кремний-углеродные связи в силоксанах, что стало важным шагом на пути к тому, чтобы сделать эти широко распространенные и экологически стойкие химические вещества биоразлагаемыми. Эта инновация, достигнутая благодаря направленной эволюции, открывает путь к более эффективному управлению силиконовыми отходами. Выше представлено изображение художника искусственно созданного фермента, разрывающего связь кремний-углерод. Фото: Калифорнийский технологический институт/Дау.

Ученые успешно разработали фермент, способный разрушать прочные искусственные связи между кремнием и углеродом, которые существуют в широко используемых химических веществах, известных как силоксаны или силиконы. Этот прорыв знаменует собой первый шаг на пути к тому, чтобы сделать эти стойкие химические вещества окружающей среды биоразлагаемыми.

«Природа — удивительный химик, и в ее репертуар теперь входит разрыв связей в силоксанах, которые, как считалось ранее, защищают от атак живых организмов», — говорит Фрэнсис Арнольд, профессор химической инженерии, биоинженерии и биохимии Лайнуса Полинга в Калифорнийском технологическом институте и лауреат Нобелевской премии 2018 года. Доктор химии за новаторскую работу в области направленной эволюции — метода конструирования ферментов и других белков с использованием принципов искусственного отбора. Арнольд и ее коллеги, в том числе Димитрис (Дими) Кацулис из мичиганской компании Dow Inc., использовали направленную эволюцию для создания нового фермента, расщепляющего связи кремний-углерод. Результаты опубликованы в номере журнала от 26 января. Наука.

Исследователи говорят, что, хотя практическое использование их сконструированного фермента может быть еще через десять лет или больше, его разработка открывает возможность того, что силоксаны однажды могут подвергнуться биологическому разложению. «Например, природные организмы могут развиваться в богатой силоксанами среде, чтобы катализировать подобную реакцию, или дальнейшие улучшенные версии разработанных в лаборатории ферментов, таких как этот, возможно, могут быть использованы для очистки силоксановых примесей в сточных водах», — говорит Арнольд.

Кацулис объясняет, что природа не использует кремнийуглеродные связи, «но мы делают и существуют уже около 80 лет. Летучая природа некоторых из этих соединений требует проведения исследований в области здравоохранения и окружающей среды, чтобы правильно понять механизмы разложения этих материалов в окружающей среде».

Силиконы в товарах повседневного использования

Силоксановые химические вещества можно найти в бесчисленном количестве продуктов, в том числе в тех, которые используются в бытовой химии, средствах личной гигиены, а также в автомобильной, строительной, электронной и аэрокосмической промышленности. Химическая основа соединений состоит из кремния.кислородные связи, а к атомам кремния присоединены углеродсодержащие группы, часто метильные. «Кремниево-кислородная основная цепь придает полимеру неорганический характер, в то время как кремний-метиловые группы придают полимеру органические характеристики. Таким образом, эти полимеры обладают уникальными свойствами материала, такими как, среди прочего, высокая термическая и окислительная стабильность, низкое поверхностное натяжение и высокая гибкость основной цепи», — говорит Кацулис.

Считается, что силоксаны сохраняются в окружающей среде от нескольких дней до месяцев, и поэтому текущие исследования направлены на обеспечение более глубокого научного понимания безопасности силиконовых материалов для здоровья и окружающей среды. Химические вещества естественным образом начинают распадаться на более мелкие части, особенно в почве или водной среде, и эти фрагменты становятся летучими или уходят в воздух, где они подвергаются разложению в результате реакции со свободными радикалами в атмосфере. Из всех связей в силоксанах кремниеваяуглеродные связи разрушаются медленнее всего.

Кацулис обратилась к Арнольду с просьбой о сотрудничестве в усилиях по ускорению разложения силоксана после того, как он прочитал о работе ее лаборатории по уговору природы производить кремний.углеродные связи. В 2016 году Арнольд и ее коллеги использовали направленную эволюцию для создания бактериального белка под названием цитохром. с для образования кремнияуглеродные связи — процесс, который не встречается в природе. «Мы решили заставить природу делать то, что могут сделать только химики, только лучше», — сказал Арнольд в пресс-релизе Калифорнийского технологического института. Исследование показало, что биология может создавать эти связи более экологически чистыми способами, чем те, которые традиционно используют химики.

В новом исследовании исследователи хотели найти способы разорвать эти связи, а не создать их. Ученые использовали направленную эволюцию для разработки бактериального фермента под названием цитохром P450. Направленная эволюция похожа на разведение собак или лошадей в том смысле, что этот процесс направлен на выявление желаемых качеств. Исследователи впервые идентифицировали в своей коллекции ферментов вариант цитохрома P450, который обладал очень слабой способностью расщеплять кремний.углеродные связи в так называемых линейных и циклических летучих метилсилоксанах, общей подгруппе семейства силоксанов.

Преодоление препятствий на пути эволюции ферментов

Они мутировали ДНК цитохрома P450 и протестировали новые варианты ферментов. Затем лучшие результаты были снова мутированы, и тестирование повторялось до тех пор, пока фермент не стал достаточно активным, чтобы исследователи могли идентифицировать продукты реакции и изучить механизм работы фермента.

«Развитие ферментов, способных разрывать эти связи в силоксанах, представляет собой уникальные препятствия. При направленной эволюции мы должны параллельно оценивать сотни новых ферментов, чтобы выявить несколько вариантов ферментов с улучшенной активностью», — говорит Тайлер Фултон (доктор философии ’22), соавтор исследования и научный сотрудник Калифорнийского технологического института в лаборатории Арнольда. Одна из проблем заключалась в том, что молекулы силоксана вымывали пластиковые компоненты из 96-луночных планшетов, используемых для скрининга вариантов. Чтобы решить эту проблему, команда создала новые пластины из обычных лабораторных материалов.

«Еще одной проблемой было найти стартовый фермент для процесса направленной эволюции, обладающий хотя бы незначительной долей желаемой активности», — говорит Арнольд. «Мы нашли его в нашей уникальной коллекции цитохромов P450, разработанных в лаборатории для других типов новой для природы химии кремния».

Последний улучшенный фермент не расщепляет напрямую связь кремний-углерод, а скорее окисляет метильную группу в силоксанах в две последовательные стадии. По сути, это означает, что два углеродаводородные связи заменяются углероднымикислородные связи, и это изменение позволяет связи кремний-углерод легче разрываться.

Исследование проводит параллели с исследованиями фермента, пожирающего пластик, объясняет Фултон, ссылаясь на фермент, разлагающий полиэтилентерефталат (ПЭТ) обнаружен у бактерий Идеонелла сакайенсис в 2016 году другой группой исследователей. «Хотя фермент, разлагающий ПЭТ, был открыт природой, а не инженерами, этот фермент вдохновил на другие инновации, которые, наконец, начали приносить плоды в области разложения пластика. Мы надеемся, что эта демонстрация также вдохновит на дальнейшую работу по расщеплению силоксановых соединений», — говорит он.

Ссылка: «Направленная эволюция ферментативного расщепления кремний-углеродной связи в силоксанах», Николас С. Сарай, Тайлер Дж. Фултон, Райен Л. О’Мира, Кадина Э. Джонстон, Сабина Бринкманн-Чен, Райан Р. Маар, Рон Э. Текленбург, Джон М. Робертс, Джордан К. Т. Реддел, Димитрис Э. Кацулис и Фрэнсис Х. Арнольд, 25 января 2024 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adi5554

Исследование финансировалось Инициативой партнерства университетов Доу и Национальным научным фондом. Среди других авторов Калифорнийского технологического института — соведущий автор Николас Сарай (доктор философии ’23), а также аспирант Райен Л. О’Мира, Кадина Э. Джонстон (доктор философии ’23) и менеджер лаборатории Арнольда Сабина Бринкманн-Чен. Среди других авторов Dow — Райан Р. Маар, Рон Э. Текленбург, Джон М. Робертс и Джордан К. Т. Реддел.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме