Бактеріальний білок навчили з'єднувати вуглець з кремнієм.
Земне життя часто називають вуглецевим. Особливі хімічні властивості вуглецю дозволяють робити з нього довгі молекулярні ланцюги, в тому числі і розгалужені, а якщо ми подивимося на молекули білків, нуклеїнових кислот і ліпідів, то якраз такі ланцюги і побачимо - за перевагою вуглецеві, хоча і за участю інших атомів.
Але вуглець такий не один - на нього дуже схожий кремній, якого до того ж у земній корі в 150 разів більше, ніж вуглецю (кремній взагалі один з найпоширеніших елементів у Всесвіті). Більше того, хоча життя на Землі і пішло вуглецевим шляхом, деякі живі організми кремнієм не нехтують: він потрібен рослинам як фактор родючості (в рослинних клітинах можна навіть знайти фітоліти - мікроскопічні частинки діоксиду кремнію SiO2), а діатомові водорості той же діоксид кремнію використовують для побудови захисного панцира.
Однак у біомолекулах кремнію немає. Хіміки, звичайно, давно навчилися синтезувати вуглецево-кремнієві молекули - такі кремнійорганічні сполуки можна знайти у фармацевтиці, серед барвників, ущільнювачів, гербіцидів тощо. Але, повторимо, у живих організмів немає ферментів, які могли б маніпулювати кремнієвими сполуками.
І ось співробітникам Каліфорнійського технологічного інституту такий фермент зробити вдалося. Френсіс Арнольд (Francis H. Arnold) і її колеги використовували еволюційний підхід, тобто спочатку вони з усього різноманіття білків знайшли такі, які в принципі могли б працювати з кремнієм, після чого почали вносити в ці молекули більш-менш випадкові мутації. Через мутації в білці змінювалася послідовність амінокислот, а значить, змінювалися властивості всієї білкової молекули, в тому числі і її схильність працювати з тим чи іншим хімічним субстратом. Після кожної мутації білки перевіряли на предмет того, як вони ставляться до кремнію.
В експерименті спочатку «брали участь» не абсолютно всі ферменти, які тільки можна знайти в живій природі, а ті, що містять хімічну групу під назвою гем. Найвідоміший гем-білок - гемоглобін, який переносить кисень. Але є також досить багато білків, які використовують гем для виконання хімічних реакцій: в гемі укладений атом заліза, і якраз завдяки залізу, яке в гемі легко приймає і віддає електрони, маніпуляції з хімічними зв'язками стають сильно простіше з фізико-хімічної точки зору.
Важливу роль білки з гемом відіграють у дихальному ланцюгу мітохондрій. Нагадаємо, що суть дихального ланцюга в тому, щоб окислити якусь органічну молекулу, а отриману в результаті енергію укласти в зручній для клітини формі; окислення відбувається досить складно і за участю відразу кілька білків, серед яких левову частину роботи виконують гем-містять цитохроми.
В результаті штучної еволюції, яка повинна була зробити білкові молекули здатними працювати з кремнієм, вперед вирвався білок під назвою цитохром з бактерії Rhodothermus marinus. У статті Science говориться, що цьому цитохрому вистачило зовсім небагато мутацій, щоб за допомогою гема і заліза в ньому навчитися створювати хімічні зв'язки між вуглецем і кремнієм; причому ефективність його виявилася в п'ятнадцять разів вище, ніж у найкращого методу хімічного синтезу, використовуваного з тією ж метою. Модифікований цитохром з синтезував двадцять різних вуглецево-кремнієвих сполук, дев'ятнадцять з яких хіміки досі могли уявити хіба що в теорії.
Але все це цитохром робив, так би мовити, в пробірці, а ось що щодо справжньої клітини? Коли ген такого білка ввели в ДНК кишкової палички, то виявилося, що в ній цитохром працює так само, як і в реакційній суміші: у клітинах кишкової палички з'явилися вуглецево-кремнієві сполуки. Якщо врахувати, що для нових функцій білку знадобилося не дуже багато мутацій, то можна уявити, що в один прекрасний день земні бактерії навчаться-таки використовувати кремній, і тоді кремнієве (або кремнійорганічне) життя, яке фантасти і астробіологи шукають на інших планетах, розквітне прямо у нас під боком.
З іншого боку, кремнієве життя все-таки досі чомусь на Землі не розквітло, хоча кремнію тут більш ніж достатньо. Передбачається, що так вийшло тому, що кремній, при всій своїй схожості з вуглецем, все-таки не володіє такою, як у вуглецю, пластичністю у формуванні хімічних зв'язків з іншими елементами, так що потенційна різноманітність кремнійорганічних біомолекул виявляється не такою вже великою.
Можливо, новий фермент допоможе експериментально перевірити цю гіпотезу. Що до більш приземлених матерій, то автори роботи вважають, що модифікований цитохром (або якісь інші схожі на нього білки) стане в нагоді у виробництві кремнійорганічних сполук - тим більше що непотрібних побічних продуктів у нього утворюється зовсім небагато.
За матеріалами LceScience.