Зачем заставлять бактерии из исландского гейзера связывать кремний и углерод, что общего между созданием фермента и выращиванием породистого скакуна и зачем создавать героев «Стар Трека» наоборот — в материале о революционной статье калифорнийских ученых в Science.
«Мы решили научить природу делать то, что раньше умели одни лишь химики, только лучше», — поясняет ведущий автор работы Фрэнсис Арнольд, профессор химической инженерии, биоинженерии и биохимии в Калифорнийском технологическом институте, специалист по направленной эволюции и изобретательница множества полезных биологических систем на уровне от ферментов до организмов.
Инопланетяне наоборот
Молекулы, в которых атомы кремния (Si) связаны с атомами углерода (C) в природе практически не встречаются, хотя оба эти элемента широко распространены. Вездесущий и неисчислимый, как песок (основой которого он, точнее, его диоксид, является), кремний даже составляет, по некоторым оценкам, до 29,5% массы земной коры. Однако химики умеют получать их бинарные соединения (карбид кремния) и кремнийорганические соединения, где часто содержатся также водород, кислород, азот, хлор и другие элементы, характерные для органики. Эти соединения широко применяются в химической промышленности: фармацевтические препараты, телеэкраны, мониторы, полупроводники, краски для рисования, некоторые химические соединения, используемые в сельском хозяйстве. И если карборунд (карбид углерода) еще иногда находят в природе в виде минерала муассанита (чаще всего имеющего метеоритное происхождение), то кремнийорганические соединения естественного происхождения не встречаются на нашей планете вовсе.
Зато противники «углеродного шовинизма», утверждающие, что жизнь может быть основана не только на углероде, делают кремний почти буквально «краеугольным камнем» инопланетных биомолекул, обращая внимание на его сходство с углеродом. Интересуются этой темой не только ученые: кремнийорганические существа давно уже проникли на страницы научной фантастики и даже стали звездами экрана, как Хорта — героиня эпизода сериала «Стар Трек», раса которой как раз представляет собой кремниевые создания, которые питаются, прогрызая ходы в скалах, как личинки короедов — в древесине.
«В эпизоде старой версии «Стар Трека» герои находят кремниевую форму жизни в скалах. На самом деле, мы не пытаемся найти живые организмы в камнях, мы скорее хотим поместить немного камней в живые организмы, но это тоже неплохо», — шутит Фрэнсес Арнольд.
Для решения таких задач биологи используют метод направленной эволюции, примеряя на себя роль искусственного отбора. У истоков метода стоит сама Арнольд, в начале 1990-х годов развившая пути получения искусственных ферментов (белков, усиливающих химические реакции) в лаборатории, примерно так же, как селекционеры выводят новые сорта кукурузы, породы коров и кошек.
Метод направленной эволюции уже помог создать новые, наносящие меньше вреда природе способы производить фармацевтические препараты, бытовую химию, биотопливо и вещества, используемые в сельском хозяйстве.
ДНК-код несколько раз заставляют мутировать, в результате чего появляются новые вариации белков, которые тестируют (например, на способность ловиться на «удочку» вещества, с которым белку предначертано взаимодействовать). В следующий тур проходят лишь несколько вариантов, и так повторяют несколько раз, получая в итоге гораздо более «заточенный» на цель белок.
«Это как разводить породистых лошадей, — признается Фрэнсис Арнольд. — Хороший заводчик распознает наследственные способности лошади стать настоящим скакуном и передать это свойство последующим поколениям. Мы делаем то же самое с белками».
Величайший в мире химик
Для нового исследования ученые выбрали подходящего кандидата, которым стал цитохром С. Для исследования этот небольшой белок, переносящий электроны в митохондриях и помогающий клеткам производить энергию, был получен из красной бактерии Rhodothermus marinus, живущей в гейзерах Исландии. Мутации вызывали в той части гена этого белка, где закодирован регион молекулы, который в норме «держит» железо. Всего после трех «поколений» мутантных форм был получен измененный цитохром, способный производить кремнийорганические соединения в 15 раз лучше любого существующего катализатора, еще раз подтверждая, что биология — величайший в мире химик.
Ученые сообщают, что полученный ими катализатор нетоксичен, стоит гораздо дешевле и может быть изменен легче, чем все катализаторы, используемые для получения кремнийорганических соединений в настоящее время. В производстве соединений кремния и углерода с помощью нового цитохрома не задействованы редкие металлы и токсичные растворители. Химикам больше не нужно думать, что делать с нежелательными отходами от процесса реакции. Еще одна потрясающая особенность фермента — достаточно высокая активность при комнатной температуре. А происхождение от белка землячки суровых викингов — бактерии из исландских горячих источников — позволяет ферменту работать и в воде.
На вопрос, могла ли эволюция создать такой фермент сама, чтобы встраивать кремний в органические соединения, Фрэнсис Арнольд ответила, что их исследование показало, как быстро природа адаптируется к изменениям, принимая все новые и новые вызовы современности, и существующей клеточной машинерии для этого было бы более чем достаточно. «Природа сделала бы это сама, если бы ей было до этого дело», — заключает она.
Автор: Екатерина Мищенко