För första gången har forskare konstruerat ett enzym som kan bryta envisa konstgjorda bindningar mellan kisel och kol som finns i mycket använda kemikalier som kallas siloxaner eller silikoner. Upptäckten är ett första steg mot att göra kemikalierna, som kan dröja kvar i miljön, biologiskt nedbrytbara.
"Naturen är en fantastisk kemist, och hennes repertoar inkluderar nu att bryta bindningar i siloxaner som tidigare ansågs undvika attacker från levande organismer", säger Frances Arnold, Linus Paulings professor i kemiteknik, bioteknik och biokemi vid Caltech och vinnare av 2018 års Nobelpris. i kemi för hennes banbrytande arbete inom riktad evolution, en metod för att konstruera enzymer och andra proteiner med hjälp av principerna för artificiellt urval.
Arnold och hennes kollegor, inklusive Dimitris (Dimi) Katsoulis från Michigan-baserade Dow Inc. använde riktad evolution för att skapa det nya kisel-kolbindningsspjälkande enzymet. Resultaten publiceras i tidskriften Science .
Forskarna säger att även om praktisk användning av deras konstruerade enzym fortfarande kan vara ett decennium bort eller mer, öppnar dess utveckling möjligheten att siloxaner en dag kan brytas ned biologiskt.
"Till exempel kan naturliga organismer utvecklas i siloxanrika miljöer för att katalysera en liknande reaktion, eller ytterligare förbättrade versioner av laboratorieutvecklade enzymer som denna kan möjligen användas för att behandla siloxanföroreningar i avloppsvatten," säger Arnold.
Katsoulis förklarar att naturen inte använder kisel-kolbindningar, "men vi gör och har varit det i cirka 80 år. Den flyktiga naturen hos vissa av dessa föreningar motiverar hälso- och miljöforskning för att korrekt förstå nedbrytningsmekanismerna för dessa material i miljön ."
Siloxankemikalier finns i otaliga produkter, inklusive de som används i hushållsstädning, personlig vård och bil-, bygg-, elektronik- och flygindustrin. Föreningarnas kemiska ryggrad är gjord av kisel-syrebindningar, medan kolhaltiga grupper, ofta metyl, är bundna till kiselatomerna.
"Skisel-syre-ryggraden ger polymeren en oorganisk-liknande karaktär medan kisel-metyl-grupperna ger polymeren organisk-liknande egenskaper. Således har dessa polymerer unika materialegenskaper, såsom hög termisk och oxidativ stabilitet, låg ytspänning, och hög ryggradsflexibilitet bland annat", säger Katsoulis.
Siloxaner tros finnas kvar i miljön i dagar till månader, och därför syftar pågående forskning till att ge större vetenskaplig förståelse för hälsan och miljösäkerheten hos silikonmaterial.
Kemikalierna börjar naturligt att splittras i mindre bitar, särskilt i jord- eller vattenmiljöer, och dessa fragment blir flyktiga eller flyr ut i luften, där de genomgår nedbrytning genom att reagera med fria radikaler i atmosfären. Av alla bindningar i siloxaner är kisel-kolbindningarna de långsammast att brytas ned.
Katsoulis kontaktade Arnold för att samarbeta om ansträngningar för att påskynda nedbrytning av siloxan efter att han läst om hennes labbs arbete med att locka naturen att producera kisel-kolbindningar. 2016 använde Arnold och hennes kollegor riktad evolution för att konstruera ett bakterieprotein som heter cytokrom c för att bilda kisel-kolbindningar, en process som inte förekommer i naturen.
"Vi bestämde oss för att få naturen att göra det som bara kemister kunde göra - bara bättre," sa Arnold. Forskningen visade att biologi kan skapa dessa bindningar på sätt som är mer miljövänliga än de som traditionellt används av kemister.
I den nya studien ville forskarna hitta sätt att bryta banden snarare än att skapa dem. Forskarna använde riktad evolution för att utveckla ett bakteriellt enzym som heter cytokrom P450.
Riktad evolution liknar avel av hundar eller hästar genom att processen är utformad för att få fram önskade egenskaper. Forskarna identifierade först en variant av cytokrom P450 i sin samling av enzymer som hade en mycket svag förmåga att bryta kisel-kolbindningar i så kallade linjära och cykliska flyktiga metylsiloxaner, en vanlig undergrupp av siloxanfamiljen.
De muterade DNA från cytokrom P450 och testade de nya variantenzymer. De som gjorde bäst resultat muterades sedan igen, och testningen upprepades tills enzymet var tillräckligt aktivt för att forskarna skulle kunna identifiera reaktionsprodukterna och studera mekanismen för enzymet.
"Utvecklande enzymer för att bryta dessa bindningar i siloxaner presenterade unika hinder. Med riktad evolution måste vi utvärdera hundratals nya enzymer parallellt för att identifiera några enzymvarianter med förbättrad aktivitet", säger Tyler Fulton (Ph.D.), co-lead författare till studien och postdoktor vid Caltech i Arnolds labb.
En utmaning involverade siloxanmolekylerna som lakade plastkomponenter från plattorna med 96 brunnar som användes för att screena varianterna. För att lösa problemet skapade teamet nya tallrikar gjorda av vanliga laboratoriematerial.
"En annan utmaning var att hitta startenzymet för den riktade evolutionsprocessen, en med bara en liten mängd av den önskade aktiviteten," säger Arnold. "Vi hittade det i vår unika samling av cytokrom P450 som utvecklats i laboratoriet för andra typer av nytillverkad kiselkemi."
Det slutliga förbättrade enzymet klyver inte direkt kisel-kolbindningen utan oxiderar snarare en metylgrupp i siloxanerna i två på varandra följande steg. I grund och botten innebär detta att två kol-vätebindningar ersätts med kol-syrebindningar, och denna förändring gör att kisel-kolbindningen bryts lättare.
Forskningen drar paralleller till studier som involverar ett plastätande enzym, förklarar Fulton, med hänvisning till ett polyetylentereftalat (PET)-nedbrytande enzym som upptäcktes i bakterien Ideonella sakaiensis 2016 av en annan grupp forskare.
"Medan det PET-nedbrytande enzymet upptäcktes av naturen snarare än av ingenjörer, inspirerade det enzymet andra innovationer som äntligen kommer att förverkligas för plastnedbrytning. Vi hoppas att denna demonstration på samma sätt kommer att inspirera till ytterligare arbete för att hjälpa till att bryta ner siloxanföreningar", säger han .
Mer information: Nicholas S. Sarai et al, Riktad utveckling av enzymatisk kisel-kolbindningsklyvning i siloxaner, Science (2024). DOI:10.1126/science.adi5554. www.science.org/doi/10.1126/science.adi5554
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av California Institute of Technology
