At lære naturen at bryde menneskeskabte kemiske bindinger

For første gang har forskere konstrueret et enzym, der kan bryde genstridige menneskeskabte bindinger mellem silicium og kulstof, der findes i udbredte kemikalier kendt som siloxaner eller silikoner. Opdagelsen er et første skridt mod at gøre kemikalierne, som kan blive hængende i miljøet, biologisk nedbrydelige.

"Naturen er en fantastisk kemiker, og hendes repertoire inkluderer nu at bryde bindinger i siloxaner, der tidligere blev anset for at undgå angreb fra levende organismer," siger Frances Arnold, Linus Paulings professor i kemiteknik, bioteknik og biokemi ved Caltech og vinder af Nobelprisen 2018 i kemi for hendes banebrydende arbejde inden for rettet evolution, en metode til konstruktion af enzymer og andre proteiner ved hjælp af principperne for kunstig selektion.

Arnold og hendes kolleger, herunder Dimitris (Dimi) Katsoulis fra Michigan-baserede Dow Inc. brugte rettet evolution til at skabe det nye silicium-carbonbindingsspaltende enzym. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Science .

Forskerne siger, at selvom praktiske anvendelser af deres konstruerede enzym stadig kan være et årti væk eller mere, åbner udviklingen heraf muligheden for, at siloxaner en dag kan blive nedbrudt biologisk.

"For eksempel kunne naturlige organismer udvikle sig i siloxanrige miljøer for at katalysere en lignende reaktion, eller yderligere forbedrede versioner af laboratorieudviklede enzymer som denne kunne muligvis bruges til at behandle siloxanforurenende stoffer i spildevand," siger Arnold.

Katsoulis forklarer, at naturen ikke bruger silicium-kulstofbindinger, "men vi gør og har været det i omkring 80 år. Nogle af disse forbindelsers flygtige natur berettiger sundheds- og miljøforskning til korrekt at forstå nedbrydningsmekanismerne af disse materialer i miljøet ."

Siloxan-kemikalier kan findes i utallige produkter, herunder dem, der bruges i husholdningsrengøring, personlig pleje og bilindustrien, byggeriet, elektronik- og rumfartsindustrien. Forbindelsernes kemiske rygrad er lavet af silicium-iltbindinger, mens kulstofholdige grupper, ofte methyl, er knyttet til siliciumatomerne.

"Silicon-oxygen-rygraden giver polymeren en uorganisk-lignende karakter, mens silicium-methyl-grupperne giver polymeren organisk-lignende egenskaber. Disse polymerer har således unikke materialeegenskaber, såsom høj termisk og oxidativ stabilitet, lav overfladespænding og høj rygradsfleksibilitet blandt andre," siger Katsoulis.

Siloxaner menes at forblive i miljøet i dage til måneder, og derfor sigter igangværende forskning på at give større videnskabelig forståelse af silikonematerialers sundhed og miljøsikkerhed.

Kemikalierne begynder naturligt at fragmentere i mindre stykker, især i jord- eller vandmiljøer, og disse fragmenter bliver flygtige eller undslipper i luften, hvor de undergår nedbrydning ved at reagere med frie radikaler i atmosfæren. Af alle bindingerne i siloxaner er silicium-carbon-bindingerne de langsomste til at nedbrydes.

Katsoulis henvendte sig til Arnold for at samarbejde om bestræbelser på at fremskynde siloxannedbrydning, efter at han havde læst om hendes laboratoriums arbejde med at lokke naturen til at producere silicium-kulstofbindinger. I 2016 brugte Arnold og hendes kolleger rettet evolution til at konstruere et bakterieprotein kaldet cytochrom c til at danne silicium-kulstofbindinger, en proces, der ikke forekommer i naturen.

"Vi besluttede at få naturen til at gøre, hvad kun kemikere kunne gøre - kun bedre," sagde Arnold. Forskningen viste, at biologi kunne skabe disse bindinger på måder, der er mere miljøvenlige end dem, der traditionelt anvendes af kemikere.

I det nye studie ønskede forskerne at finde måder at bryde båndene frem for at skabe dem. Forskerne brugte rettet evolution til at udvikle et bakterielt enzym kaldet cytochrom P450.

Styret evolution svarer til avl af hunde eller heste, idet processen er designet til at bringe ønskede egenskaber frem. Forskerne identificerede først en variant af cytochrom P450 i deres samling af enzymer, der havde en meget svag evne til at bryde silicium-carbon-bindinger i såkaldte lineære og cykliske flygtige methylsiloxaner, en almindelig undergruppe af siloxanfamilien.

De muterede DNA'et fra cytochrom P450 og testede de nye variantenzymer. De bedste performere blev derefter muteret igen, og testen blev gentaget, indtil enzymet var aktivt nok til at gøre det muligt for forskerne at identificere produkterne fra reaktionen og studere den mekanisme, som enzymet virker med.

"Udvikling af enzymer til at bryde disse bindinger i siloxaner præsenterede unikke forhindringer. Med rettet evolution skal vi evaluere hundredvis af nye enzymer parallelt for at identificere nogle få enzymvarianter med forbedret aktivitet," siger Tyler Fulton (Ph.D.), co-lead. forfatter til undersøgelsen og en postdoc ved Caltech i Arnolds laboratorium.

En udfordring involverede siloxanmolekylerne, der udvaskede plastkomponenter fra de 96-brønds plader, der blev brugt til at screene varianterne. For at løse problemet skabte teamet nye plader lavet af almindelige laboratorieforsyninger.

"En anden udfordring var at finde startenzymet til den rettede evolutionsproces, en med blot en lille mængde af den ønskede aktivitet," siger Arnold. "Vi fandt det i vores unikke samling af cytochrom P450'er, der er udviklet i laboratoriet til andre typer ny-til-natur siliciumkemi."

Det endelige forbedrede enzym spalter ikke direkte silicium-carbon-bindingen, men oxiderer snarere en methylgruppe i siloxanerne i to sekventielle trin. Grundlæggende betyder det, at to carbon-hydrogen-bindinger erstattes med carbon-oxygen-bindinger, og denne ændring tillader silicium-carbon-bindingen at bryde lettere.

Forskningen drager paralleller til studier, der involverer et plastikspisende enzym, forklarer Fulton med henvisning til et polyethylenterephthalat (PET)-nedbrydende enzym, der blev opdaget i bakterien Ideonella sakaiensis i 2016 af en anden gruppe forskere.

"Mens det PET-nedbrydende enzym blev opdaget af naturen snarere end af ingeniører, inspirerede det enzym andre innovationer, der endelig er ved at blive realiseret for plastisk nedbrydning. Vi håber, at denne demonstration på samme måde vil inspirere til yderligere arbejde for at hjælpe med at nedbryde siloxanforbindelser," siger han .

Flere oplysninger: Nicholas S. Sarai et al., Directed evolution of enzymatic silicium-carbon bond spaltning i siloxaner, Science (2024). DOI:10.1126/science.adi5554. www.science.org/doi/10.1126/science.adi5554

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af California Institute of Technology