Биологи создали фермент, разрушающий прочные химические связи

Американские ученые создали фермент, который разрушает прочные химические связи между атомами кремния и углерода в силоксанах. Эти вещества входят в состав различных полимеров, которые долго разлагаются в природе, выделяя потенциально опасные летучие вещества. Исследование опубликовано в журнале Science.

Силоксаны — это органические вещества, основу которых составляет «скелет» из цепочек чередующихся атомов кислорода и кремния. Также в структуре этих соединений есть углеродные группы. Из силоксанов получают полимеры, которые обладают уникальными свойствами: высокой термостабильностью, устойчивостью к окислителям, гибкостью и так далее. Поэтому силоксаны широко используются, но долго разлагаются в природе. Попадая в почву и воду, они распадаются на более мелкие летучие фрагменты. В воздухе они вступают в реакцию со свободными радикалами, в результате чего разлагаются. Однако связи между атомами кремния и углерода разрушаются в последнюю очередь.

Американские биологи создали фермент, способный разрушать такие связи. Для этого они использовали метод направленной эволюции ферментов. За его разработку Фрэнсис Арнольд, которая участвовала в новом исследовании, получила Нобелевскую премию по химии в 2018 году. В ходе направленной эволюции ученые вносят случайные мутации в исходный фермент и отбирают те его версии, которые проявляют нужный вид активности. Эти версии снова подвергаются случайным мутациям, после чего исследователи опять отбирают версии с нужной активностью. Этот процесс повторяется несколько раз, пока ученые не получат наиболее эффективную версию фермента. В 2016 году с помощью этого метода биологи создали фермент, способный создавать связи между атомами углерода и кремния. В качестве основы использовался бактериальный фермент цитохром c. В новой работе исследователи взяли цитохром P450 и получили такую его версию, которая может разрушать такие связи в линейных и циклических летучих метилсилоксанов — простейших веществах в классе силоксанов.

Ученые также выяснили механизм действия нового фермента. Он окисляет метильную группу в метилсилоксанах в ходе двух последовательных этапов. По сути, в ходе этого процесса две связи между водородом и углеродом заменяются на связи между углеродом и кислородом. Благодаря этому легче разрываются связи между кремнием и углеродом.

Такой фермент может использоваться для разрушения силоксанов, что позволит улучшить экологическую обстановку. Это исследование было вдохновлено работой 2016 года, в которой ученые обнаружили в бактерии Ideonella sakaiensis фермент, способный разлагать пластик ПЭТ. Этот фермент является природным, а не искусственным. Ученые считают, что со временем в бактериях также могут появиться ферменты, способные разлагать силоксаны: чем больше они будут сталкиваться с такими веществами в природе, тем выше вероятность появления такого фермента.