جدول المحتويات:

الخلايا الحية تربط السيليكون والكربون لأول مرة
الخلايا الحية تربط السيليكون والكربون لأول مرة
فيديو: الخلايا الحية تربط السيليكون والكربون لأول مرة
فيديو: يمكن أن تكون خلايا البيروفسكايت الشمسية مستقبل الطاقة 2023, شهر فبراير
Anonim

يتم تدريس إنزيم بكتيري معدل لعمل روابط يتجنبها التطور.

الخلايا الحية تربط السيليكون والكربون لأول مرة
الخلايا الحية تربط السيليكون والكربون لأول مرة

السيليكون في كل مكان حولنا: بعد الأكسجين ، هو العنصر الأكثر وفرة في قشرة الأرض. فلماذا لم تدمجها الكائنات الحية أبدًا في الكيمياء الحيوية الخاصة بهم كان لغزًا منذ فترة طويلة.

اكتشف المهندسون الكيميائيون الآن أنه يمكن دفع الكائنات الحية لربط الكربون والسيليكون معًا. أظهروا أن إنزيمًا طبيعيًا من بكتيريا تعيش في الينابيع الساخنة يمكن أن يشكل روابط C – Si داخل خلايا Escherichia coli الحية - عندما يتم تغذية الخلايا بالمركبات الصحيحة المحتوية على السيليكون. ومن خلال هندسة الإنزيم ، ابتكر الباحثون محفزًا بيولوجيًا يؤدي التفاعل بكفاءة أكبر من أي محفز اصطناعي.

يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف الكيميائيين على تطوير أدوية جديدة ومحفزات صناعية - وربما يفسر سبب ابتعاد التطور عن السيليكون بالكامل تقريبًا.

لا مجال للسيليكون؟

تستغل الطبيعة عددًا من المعادن الشائعة في الكيمياء الحيوية: تشمل الحالات البارزة الحديد في خلايا الدم الحمراء والمغنيسيوم في الكلوروفيل. لكن يبدو أن السيليكون (عنصر له خصائص كل من المعادن وغير المعدنية) يحدث فقط في المركبات العضوية الحيوية ، مثل تلك الموجودة في قشور السيليكا في دياتومات الطحالب أحادية الخلية. لا تشق طريقها أبدًا إلى سلاسل الحياة العضوية القائمة على الكربون.

يقول رولد هوفمان ، الكيميائي الحائز على جائزة نوبل في جامعة كورنيل في إيثاكا ، نيويورك: "السيليكون ضعيف ، متوفر بكثرة في الأرض ، لكنه رفضه المحيط الحيوي بسبب ترقيعه التطوري العجيب".

لقد تعلم الباحثون ربط الكربون والسيليكون معًا باستخدام محفزات اصطناعية. لكن فرانسيس أرنولد ، مهندس كيميائي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا ، أراد اختبار ما إذا كانت بعض إنزيمات الحياة يمكنها فعل ذلك أيضًا ، إذا أتيحت الفرصة.

من خلال البحث في قواعد بيانات البروتين ، وجدت هي وزملاؤها بضع عشرات من الإنزيمات الواعدة. بعد إجراء بعض الفحوصات ، استقروا على واحدة من بكتيريا متطرفة تعيش في الينابيع الساخنة تحت الماء الآيسلندية ، تسمى Rhodothermus marinus. لقد صنعوا الجين لهذا البروتين وأدخلوه في بكتيريا الإشريكية القولونية.

وتبين أن تخمينهم كان صحيحًا: يمكن أن يحفز الإنزيم السليكون - الكربون - إذا تم تغذيته بالسلائف الصحيحة المحتوية على السيليكون. (لا يفعل الإنزيم هذا عادة ، لأن البكتيريا لا تنتج مركبات تحتوي على السيليكون بشكل طبيعي). يقول أرنولد: "من اللافت للنظر أن الطبيعة مهيأة للقيام بكل أنواع الأشياء البرية في وجود هذا الطعام الجديد من صنع الإنسان".

زيادة الكفاءة

ومع ذلك ، لم تكن الإشريكية القولونية المعدلة فعالة جدًا في إنتاج مركبات السيليكون العضوية. لذلك أدخل الفريق طفرات في المنطقة النشطة من الإنزيم واختار البكتيريا التي أظهرت تحسنًا. كانت بضعة أجيال كافية لتعزيز الغلة التي تتفوق على تلك المحفزات الاصطناعية. تظهر النتائج في Science في 24 نوفمبر.

يقول هوفمان: "تجمع ورقة مجموعة Arnold بين الكيمياء الجيدة والتطور الموجه لتكوين الإنزيمات التي تشكل روابط بين الكربون والسيليكون بطرق محددة جدًا". "عمل جميل ، خلق كيمياء جديدة".

طور أرنولد تقنية التطور الموجه في التسعينيات وتستخدم الآن في عدد لا يحصى من التطبيقات ، من تحسين منظفات الغسيل إلى تصنيع الأدوية الطبية. وفازت بجائزة الألفية للتكنولوجيا التي تبلغ قيمتها مليون يورو (1.1 مليون دولار أمريكي) لهذا العمل.

يقول يتسحاق أبلويج المتخصص في الكيمياء العضوية في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا في حيفا: "هذا يفتح فرصًا جديدة تمامًا في مجال الأبحاث الصيدلانية وقد يؤدي إلى اكتشاف عقاقير جديدة".

يقول أرنولد إن النتائج يمكن أن تساعد أيضًا في معالجة الأسئلة الأساسية حول التطور المبكر للحياة ، وعلى وجه الخصوص ما إذا كان ازدراءها للسيليكون حدثًا أم لا. "يمكننا البدء في استكشاف تكاليف وفوائد دمج السيليكون في الحياة."

شعبية حسب الموضوع