Science: 美国科学家首次设计出可打破硅碳键的酶，或将实现硅氧烷生物降解

• 阅读： 2024/1/30 14:55:33

  硅和碳都是地球上含量丰富的元素，但是自然界却从未发现硅碳键的存在。2016年，美国加州理工学院科学家首次找到诱使生物通过化学方式形成硅碳键的方法。现在，他们首次设计出一种酶，可打破硅和碳之间牢固的人造键。这种键存在于广泛使用的硅氧烷或有机硅化学品中，而这些化学物质可能残留在环境中。这一成果有望使硅氧烷等化学物质实现生物降解。相关论文发表在最新一期《科学》杂志上。

  定向进化是一种利用人工选择原理改造酶和其他蛋白质的方法。在这项新研究中，加州理工学院教授、2018年诺贝尔化学奖获得者弗朗西斯·阿诺德及其同事希望找到打破而非产生硅碳键的方法。

  他们利用定向进化来培养一种称为细胞色素P450的细菌酶。研究人员使细胞色素P450的DNA产生突变，并测试了新的变体酶。然后，性能最好的酶再次突变，测试重复进行，直到酶的活性足以让研究人员确定反应产物并研究酶的作用机制。最终改进的酶不会直接裂解硅碳键，而是通过两个连续步骤氧化硅氧烷中的甲基。这意味着两个碳氢键被碳氧键取代，这种变化使得硅碳键更容易断裂。

  硅氧烷化学物质存在于多种产品中，包括用于家庭清洁、个人护理以及汽车、建筑、电子和航空航天产品。在硅氧烷中的所有键中，硅碳键的分解是最慢的。

  研究人员表示，虽然这种工程酶进入现实应用可能还需要10年或更长时间，但它的开发开启了硅氧烷有朝一日被生物降解的可能性。

  Volatile methylsiloxanes (VMS) are man-made, nonbiodegradable chemicals produced at a megaton-per-year scale, which leads to concern over their potential for environmental persistence, long-range transport, and bioaccumulation. We used directed evolution to engineer a variant of bacterial cytochrome P450BM3 to break silicon-carbon bonds in linear and cyclic VMS. To accomplish silicon-carbon bond cleavage, the enzyme catalyzes two tandem oxidations of a siloxane methyl group, which is followed by putative [1,2]-Brook rearrangement and hydrolysis. Discovery of this so-called siloxane oxidase opens possibilities for the eventual biodegradation of VMS.

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