Τεχνητά εξελιγμένο ένζυμο που σπάει έναν δεσμό άνθρακα πυριτίου

Οι επιστήμονες του Caltech κατασκεύασαν ένζυμο για την αποσύνθεση των δεσμών πυριτίου-άνθρακα στις σιλικόνες

Τεχνητά εξελιγμένο ένζυμο που σπάει έναν δεσμό άνθρακα πυριτίου

Οι επιστήμονες κατασκεύασαν ένα ένζυμο για τη διάσπαση των δεσμών πυριτίου-άνθρακα στις σιλοξάνες, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό βήμα για να γίνουν βιοαποδομήσιμα αυτά τα ευρέως διαδεδομένα και περιβαλλοντικά ανθεκτικά χημικά. Αυτή η καινοτομία, που επιτυγχάνεται μέσω της κατευθυνόμενης εξέλιξης, ανοίγει το δρόμο για πιο αποτελεσματική διαχείριση των απορριμμάτων σιλικόνης. Παραπάνω είναι η απεικόνιση ενός καλλιτέχνη ενός τεχνητά εξελιγμένου ενζύμου που σπάει έναν δεσμό πυριτίου-άνθρακα. Πίστωση: Caltech/Dow

Οι επιστήμονες κατασκεύασαν με επιτυχία ένα ένζυμο ικανό να διασπάσει τους επίμονους τεχνητούς δεσμούς μεταξύ πυριτίου και άνθρακα που υπάρχουν σε ευρέως χρησιμοποιούμενες χημικές ουσίες γνωστές ως σιλοξάνες ή σιλικόνες. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη σηματοδοτεί ένα αρχικό βήμα για να γίνουν βιοαποδομήσιμα αυτά τα επίμονα περιβαλλοντικά χημικά.

«Η φύση είναι μια καταπληκτική χημικός και το ρεπερτόριό της περιλαμβάνει τώρα το σπάσιμο των δεσμών σε σιλοξάνες που προηγουμένως θεωρούνταν ότι αποφεύγουν την επίθεση από ζωντανούς οργανισμούς», λέει η Frances Arnold, η καθηγήτρια Χημικής Μηχανικής, Βιομηχανικής και Βιοχημείας Linus Pauling στο Caltech και νικητής του Νόμπελ 2018. στη Χημεία για το πρωτοποριακό της έργο στην κατευθυνόμενη εξέλιξη, μια μέθοδο για την κατασκευή ενζύμων και άλλων πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας τις αρχές της τεχνητής επιλογής. Η Arnold και οι συνεργάτες της, συμπεριλαμβανομένου του Δημήτρη (Ντίμη) Κατσούλη της Dow Inc. με έδρα το Μίσιγκαν, χρησιμοποίησαν την κατευθυνόμενη εξέλιξη για να δημιουργήσουν το νέο ένζυμο διάσπασης δεσμών πυριτίου-άνθρακα. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο τεύχος της 26ης Ιανουαρίου του περιοδικού Επιστήμη.

Οι ερευνητές λένε ότι ενώ οι πρακτικές χρήσεις για το κατασκευασμένο ένζυμό τους θα μπορούσαν να είναι ακόμα μια δεκαετία ή περισσότερο, η ανάπτυξή του ανοίγει την πιθανότητα οι σιλοξάνες κάποια μέρα να αποικοδομηθούν βιολογικά. «Για παράδειγμα, φυσικοί οργανισμοί θα μπορούσαν να εξελιχθούν σε περιβάλλοντα πλούσια σε σιλοξάνη για να καταλύσουν μια παρόμοια αντίδραση, ή περαιτέρω βελτιωμένες εκδόσεις ενζύμων που εξελίσσονται στο εργαστήριο, όπως αυτό, θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία ρύπων σιλοξάνης στα λύματα», λέει ο Arnold.

Ο Κατσούλης εξηγεί ότι η φύση δεν χρησιμοποιεί πυρίτιοδεσμούς άνθρακα, «αλλά εμείς κάνουν και είναι για περίπου 80 χρόνια. Η πτητική φύση ορισμένων από αυτές τις ενώσεις δικαιολογεί την έρευνα για την υγεία και το περιβάλλον για την κατάλληλη κατανόηση των μηχανισμών αποδόμησης αυτών των υλικών στο περιβάλλον.»

Σιλικόνες σε καθημερινά προϊόντα

Οι χημικές ουσίες σιλοξάνη μπορούν να βρεθούν σε αμέτρητα προϊόντα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούνται στον οικιακό καθαρισμό, την προσωπική φροντίδα και τις βιομηχανίες αυτοκινήτων, κατασκευών, ηλεκτρονικών και αεροδιαστημικής. Η χημική ραχοκοκαλιά των ενώσεων είναι κατασκευασμένη από πυρίτιοδεσμοί οξυγόνου, ενώ ομάδες που περιέχουν άνθρακα, συχνά μεθύλιο, συνδέονται με τα άτομα πυριτίου. «Η ραχοκοκαλιά πυριτίου-οξυγόνου δίνει στο πολυμερές έναν ανόργανο χαρακτήρα, ενώ οι ομάδες πυριτίου-μεθυλίου δίνουν στο πολυμερές οργανικά χαρακτηριστικά. Έτσι, αυτά τα πολυμερή έχουν μοναδικές ιδιότητες υλικού, όπως υψηλή θερμική και οξειδωτική σταθερότητα, χαμηλή επιφανειακή τάση και υψηλή ευκαμψία της ραχοκοκαλιάς μεταξύ άλλων», λέει ο Κατσούλης.

Οι σιλοξάνες πιστεύεται ότι παραμένουν στο περιβάλλον για μέρες έως μήνες και, ως εκ τούτου, η συνεχιζόμενη έρευνα στοχεύει στην παροχή μεγαλύτερης επιστημονικής κατανόησης της υγείας και της περιβαλλοντικής ασφάλειας των υλικών σιλικόνης. Οι χημικές ουσίες αρχίζουν φυσικά να κατακερματίζονται σε μικρότερα κομμάτια, ειδικά στο έδαφος ή στο υδάτινο περιβάλλον, και αυτά τα θραύσματα γίνονται πτητικά ή διαφεύγουν στον αέρα, όπου υφίστανται αποδόμηση αντιδρώντας με ελεύθερες ρίζες στην ατμόσφαιρα. Από όλους τους δεσμούς στα σιλοξάνια, το πυρίτιοΟι δεσμοί άνθρακα διασπώνται πιο αργά.

Η Κατσούλης πλησίασε την Άρνολντ για να συνεργαστεί στις προσπάθειες για την επιτάχυνση της αποικοδόμησης της σιλοξάνης, αφού διάβασε για το έργο του εργαστηρίου της για να παρακινήσει τη φύση να παράγει πυρίτιοδεσμούς άνθρακα. Το 2016, η Arnold και οι συνεργάτες της χρησιμοποίησαν κατευθυνόμενη εξέλιξη για να δημιουργήσουν μια βακτηριακή πρωτεΐνη που ονομάζεται κυτόχρωμα ντο να σχηματιστεί πυρίτιοδεσμούς άνθρακα, μια διαδικασία που δεν συμβαίνει στη φύση. «Αποφασίσαμε να πείσουμε τη φύση να κάνει αυτό που μόνο οι χημικοί μπορούσαν να κάνουν – μόνο καλύτερα», είπε ο Άρνολντ σε δελτίο ειδήσεων του Caltech. Η έρευνα έδειξε ότι η βιολογία θα μπορούσε να δημιουργήσει αυτούς τους δεσμούς με τρόπους που είναι πιο φιλικοί προς το περιβάλλον από εκείνους που παραδοσιακά χρησιμοποιούν οι χημικοί.

Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές ήθελαν να βρουν τρόπους να σπάσουν τους δεσμούς αντί να τους δημιουργήσουν. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν την κατευθυνόμενη εξέλιξη για να εξελίξουν ένα βακτηριακό ένζυμο που ονομάζεται κυτόχρωμα P450. Η κατευθυνόμενη εξέλιξη είναι παρόμοια με την αναπαραγωγή σκύλων ή αλόγων, καθώς η διαδικασία έχει σχεδιαστεί για να αναδεικνύει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Οι ερευνητές εντόπισαν για πρώτη φορά μια παραλλαγή του κυτοχρώματος P450 στη συλλογή ενζύμων τους που είχε πολύ αδύναμη ικανότητα να σπάει το πυρίτιο.δεσμούς άνθρακα στις λεγόμενες γραμμικές και κυκλικές πτητικές μεθυλοσιλοξάνες, μια κοινή υποομάδα της οικογένειας των σιλοξανών.

Ξεπερνώντας τα εμπόδια στην εξέλιξη των ενζύμων

Μετάλλαξαν το DNA του κυτοχρώματος P450 και εξέτασε τα νέα ένζυμα παραλλαγής. Οι καλύτερες επιδόσεις στη συνέχεια μεταλλάχθηκαν ξανά και η δοκιμή επαναλήφθηκε έως ότου το ένζυμο ήταν αρκετά ενεργό ώστε να μπορέσουν οι ερευνητές να αναγνωρίσουν τα προϊόντα της αντίδρασης και να μελετήσουν τον μηχανισμό με τον οποίο λειτουργεί το ένζυμο.

«Η εξέλιξη των ενζύμων για τη διάσπαση αυτών των δεσμών στις σιλοξάνες παρουσίασε μοναδικά εμπόδια. Με την κατευθυνόμενη εξέλιξη, πρέπει να αξιολογήσουμε εκατοντάδες νέα ένζυμα παράλληλα για να εντοπίσουμε μερικές παραλλαγές ενζύμων με βελτιωμένη δραστηριότητα», λέει ο Tyler Fulton (PhD '22), συν-επικεφαλής της μελέτης και μεταδιδακτορικός μελετητής στο Caltech στο εργαστήριο του Arnold. Μια πρόκληση περιελάμβανε τα μόρια σιλοξάνης να εκπλύνουν πλαστικά συστατικά από τις πλάκες των 96 φρεατίων που χρησιμοποιούνται για την εξέταση των παραλλαγών. Για να λύσει το πρόβλημα, η ομάδα δημιούργησε νέες πλάκες κατασκευασμένες από κοινές προμήθειες εργαστηρίου.

«Μια άλλη πρόκληση ήταν η εύρεση του ενζύμου εκκίνησης για την κατευθυνόμενη διαδικασία εξέλιξης, ένα με έστω και ένα ελάχιστο ποσό της επιθυμητής δραστηριότητας», λέει ο Arnold. «Το βρήκαμε στη μοναδική μας συλλογή κυτοχρώματος P450 που εξελίχθηκε στο εργαστήριο για άλλους τύπους νέας στη φύση χημεία πυριτίου».

Το τελικό βελτιωμένο ένζυμο δεν διασπά απευθείας τον δεσμό πυριτίου-άνθρακα αλλά μάλλον οξειδώνει μια ομάδα μεθυλίου στις σιλοξάνες σε δύο διαδοχικά βήματα. Βασικά, αυτό σημαίνει ότι δύο άνθρακαοι δεσμοί υδρογόνου αντικαθίστανται με άνθρακαδεσμούς οξυγόνου και αυτή η αλλαγή επιτρέπει στον δεσμό πυριτίου-άνθρακα να σπάσει πιο εύκολα.

Η έρευνα κάνει παραλληλισμό με μελέτες που αφορούν ένα ένζυμο που τρώει πλαστικά, εξηγεί ο Fulton, αναφερόμενος σε ένζυμο αποικοδόμησης τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET). ανακαλύφθηκε στα βακτήρια Ideonella sakaiensis το 2016 από διαφορετική ομάδα ερευνητών. «Ενώ το ένζυμο αποικοδόμησης PET ανακαλύφθηκε από τη φύση και όχι από μηχανικούς, αυτό το ένζυμο ενέπνευσε άλλες καινοτομίες που τελικά καρποφορούν για την αποδόμηση των πλαστικών. Ελπίζουμε ότι αυτή η επίδειξη θα εμπνεύσει παρομοίως περαιτέρω εργασία για να βοηθήσει στη διάσπαση των ενώσεων σιλοξάνης», λέει.

Αναφορά: «Directed evolution of enzymatic silicon-carbon bond cleavage in siloxanes» από τους Nicholas S. Sarai, Tyler J. Fulton, Ryen L. O'Meara, Kadina E. Johnston, Sabine Brinkmann-Chen, Ryan R. Maar, Ron E Tecklenburg, John M. Roberts, Jordan CT Reddel, Dimitris E. Katsoulis and Frances H. Arnold, 25 Ιανουαρίου 2024, Επιστήμη.
DOI: 10.1126/science.adi5554

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Dow's University Partnership Initiative και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. Άλλοι συγγραφείς του Caltech περιλαμβάνουν τον συν-επικεφαλής συγγραφέα Nicholas Sarai (PhD '23), καθώς και τον μεταπτυχιακό φοιτητή Ryen L. O'Meara, την Kadina E. Johnston (PhD '23) και την υπεύθυνη εργαστηρίου Arnold, Sabine Brinkmann-Chen. Άλλοι συγγραφείς του Dow περιλαμβάνουν τους Ryan R. Maar, Ron E. Tecklenburg, John M. Roberts και Jordan CT Reddel.

Η μετάφραση έγινε με τη βοήθεια του Google Translate
ΠΗΓΗ: scitechdaily.com

Απάντηση