硅元素（silicon，Si）是地殼中第二豐富的元素（26.4%），僅次于第一位的氧（49.4%）。我們都知道，構(gòu)成生物體的大量元素包括C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、Cl、Fe等，幾乎不涉及硅元素。那么，為什么生命體沒有將其融入自身呢？這一直是個(gè)謎。

近期，來(lái)自于加州理工學(xué)院的化學(xué)工程師Frances Arnold帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)卻在細(xì)胞內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了硅和碳的結(jié)合。他們篩選到一種天然酶類，存在于生活在極端環(huán)境的細(xì)菌體內(nèi)。這種酶能夠在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，并催化培養(yǎng)基中的硅元素與細(xì)胞內(nèi)的碳元素結(jié)合。

為了提高結(jié)合效率，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)天然酶進(jìn)行改造，使其成為全新的生物催化，能夠以前所未有的效率完成催化。相關(guān)研究成果于11月24日發(fā)表在《Science》期刊。

這一發(fā)現(xiàn)能夠幫助化學(xué)家開發(fā)出新的藥物和工業(yè)催化劑，或許還有望用于解釋為什么生命進(jìn)化幾乎完全避開了硅元素。

硅與碳“共舞”？

我們知道，一些常見的金屬元素參與構(gòu)成生命體、參與生理過(guò)程，例如紅細(xì)胞中的鐵元素、葉綠素中的鎂元素。但是，硅元素似乎只以無(wú)機(jī)化合物的面目存在于細(xì)胞中，例如單細(xì)胞藻類硅藻表面覆蓋的硅質(zhì)細(xì)胞壁，其主要成分是二氧化硅。硅元素從未進(jìn)入以碳元素為基礎(chǔ)的有機(jī)生命鏈中。

1981年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一、康奈爾大學(xué)的化學(xué)家Roald Hoffmann曾表示：“硅元素是構(gòu)成地殼結(jié)構(gòu)的主要元素，但是卻未在漫漫進(jìn)化史中融入生物圈?！?

過(guò)去，已有科學(xué)家找到了利用人工催化劑將碳和硅結(jié)合在一起的方法。但是Frances Arnold卻試圖尋找能夠?qū)崿F(xiàn)碳-硅結(jié)合的酶類。

Arnold團(tuán)隊(duì)通過(guò)檢索蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，找到了幾十個(gè)有潛力的酶。經(jīng)過(guò)重重篩選，他們鎖定了一種天然酶，它們存在于一種生活在冰島溫泉極端環(huán)境中的細(xì)菌Rhodothermus marinus體內(nèi)。隨后，他們合成了酶蛋白，并將其編碼基因插入到大腸桿菌中。

一系列試驗(yàn)證實(shí)他們的推測(cè)是正確的：如果轉(zhuǎn)基因大腸桿菌被培養(yǎng)在含有硅元素的培養(yǎng)基中，這一天然酶能夠催化硅-碳結(jié)合。正常情況下，這種催化作用并不會(huì)啟動(dòng)，因?yàn)镽hodothermus marinus細(xì)菌不會(huì)生存在含有硅元素的環(huán)境中。

改造酶類，提高效率

研究人員發(fā)現(xiàn)，重組后的大腸桿菌并不能有效地合成硅-碳化合物。為了提高效率，他們對(duì)酶基因進(jìn)行突變，最終篩選到理想中的酶。而且，改造后的酶的催化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕超人工催化劑。

上世紀(jì)90年代，Arnold就已經(jīng)開發(fā)了定向進(jìn)化技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域，例如改善洗滌劑、合成化藥。她曾因此獲得過(guò)千禧技術(shù)獎(jiǎng)。

Hoffmann評(píng)價(jià)Arnold團(tuán)隊(duì)研究成果時(shí)表示：“這項(xiàng)工作開創(chuàng)了新的化學(xué)之美?！?以色列理工學(xué)院技術(shù)研究所致力于有機(jī)化學(xué)研究的Yitzhak Apeloig 認(rèn)為：“這一最新研究為制藥研究開辟了新機(jī)遇，有望促進(jìn)新藥物的研發(fā)。”

Arnold強(qiáng)調(diào)：“研究結(jié)果也可以幫助解決生命早期演化的基礎(chǔ)問題，例如生命體‘繞開’硅元素的原因。我們可以試圖計(jì)算將硅元素融入細(xì)胞的成本和收益?！?