矽在我們周圍無處不在：僅次於氧，它是地殼中最豐富的元素。因此，為什麼生物從未將其納入生物化學中，長期以來一直是個謎。
現在，化學工程師們發現，可以推動活生物體將碳和矽結合在一起。他們表明，一種來自生活在溫泉中的細菌的天然酶可以在活的大腸桿菌細胞內形成 C-Si 鍵——當細胞被餵食合適的含矽化合物時。透過改造這種酶，研究人員創造了一種比任何人工催化劑都更有效地進行反應的生物催化劑。
這一發現可能有助於化學家開發新的藥物和工業催化劑，並可能解釋為什麼進化幾乎完全避開了矽。
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沒有矽的空間？
自然界在生物化學中利用了許多常見的金屬：著名的例子包括紅細胞中的鐵和葉綠素中的鎂。但是矽（一種具有金屬和非金屬特性的元素）似乎僅出現在生物無機化合物中，例如單細胞藻類矽藻的二氧化矽殼中。它從未進入有機生命的碳基鏈中。
“可憐的矽，在地球上含量豐富，但由於其奇妙的進化調整而被生物圈所拒絕，”位於紐約州伊薩卡的康奈爾大學的諾貝爾獎獲得者化學家羅爾德·霍夫曼說。
研究人員已經學會使用人工催化劑將碳和矽結合在一起。但是，加利福尼亞州帕薩迪納市的加州理工學院的化學工程師弗朗西斯·阿諾德想測試一下，如果條件允許，某些生命酶是否也可以做到這一點。
透過搜尋蛋白質資料庫，她和她的同事發現了幾十種有希望的酶。經過一些篩選，他們選定了一種來自冰島水下溫泉中的極端微生物細菌Rhodothermus marinus的酶。他們合成了這種蛋白質的基因，並將其插入大腸桿菌中。
他們的猜測被證明是正確的：如果餵食合適的含矽前體，該酶可以催化矽-碳鍵合。（該酶通常不會這樣做，因為細菌不會自然產生含矽化合物）。“令人驚訝的是，自然界準備好在這種新人造食物存在的情況下做各種瘋狂的事情，”阿諾德說。
效率提升
儘管如此，經過改造的大腸桿菌在生產有機矽化合物方面效率不高。因此，該團隊在該酶的活性區域引入了突變，並選擇了表現出改善的細菌。幾代足以提高產量——超過人工催化劑。結果發表在 11 月 24 日的《科學》雜誌上。
霍夫曼說：“阿諾德小組的論文結合了良好的化學和定向進化，創造了以非常特定的方式形成碳-矽鍵的酶。很棒的工作，創造了新的化學。”
阿諾德在 1990 年代開發了定向進化技術，現在已在無數應用中使用，從改進洗衣粉到合成藥物。她因此項工作獲得了今年的 100 萬歐元（110 萬美元）千年技術獎。
“這為藥物研究開闢了全新的機會，並可能導致新藥的發現，”海法以色列理工學院專門從事有機化學的 Yitzhak Apeloig 說。
阿諾德說，這些發現還可以幫助解決有關生命早期進化的基本問題，特別是它對矽的蔑視是否是偶然發生的。“我們可以開始探索將矽納入生命體的成本和收益。”
本文經許可轉載，並於 2016 年 11 月 24 日首次釋出。