برای اولین بار، دانشمندان آنزیمی را ایجاد کردند که می تواند پیوندهای سرسخت انسانی بین سیلیکون و کربن را که در مواد شیمیایی پرکاربرد به نام سیلوکسان ها یا سیلیکون ها وجود دارد، بشکند. این کشف اولین گام به سوی ساخت مواد شیمیایی است که ممکن است در محیط زیست تخریب پذیر باقی بمانند.
فرانسیس آرنولد، پروفسور لینوس پاولینگ، پروفسور مهندسی شیمی، مهندسی زیستی و بیوشیمی در کال‌تک و دریافت‌کننده این مدرک می‌گوید: «طبیعت شیمیدان شگفت‌انگیزی است، و کارنامه‌اش اکنون شامل شکستن پیوندهای موجود در سیلوکسان‌ها است که قبلاً تصور می‌شد از حمله موجودات زنده در امان هستند». جایزه نوبل شیمی 2018 برای کار پیشگام او در تکامل هدایت شده، روشی برای مهندسی آنزیم ها و سایر پروتئین ها با استفاده از اصول انتخاب مصنوعی. آرنولد و همکارانش، از جمله دیمیتری (دیمی) کاتسولیس از شرکت داو مستقر در میشیگان، از تکامل هدایت شده برای ایجاد آنزیم جدیدی که پیوند سیلیکون-کربن را می شکند، استفاده کردند. نتایج در شماره 26 ژانویه این مجله منتشر شد علوم پایه.
محققان می گویند در حالی که استفاده عملی از آنزیم مهندسی شده آنها ممکن است یک دهه یا بیشتر فاصله داشته باشد، توسعه آن این امکان را ایجاد می کند که سیلوکسان ها ممکن است روزی تجزیه زیستی شوند. آرنولد می‌گوید: «برای مثال، موجودات طبیعی می‌توانند در یک محیط غنی از سیلوکسان برای کاتالیز کردن چنین واکنشی تکامل یابند، یا نسخه‌های بهبود یافته‌تر آنزیم‌های تکامل‌یافته آزمایشگاهی مانند این می‌توانند در نهایت برای تصفیه آلاینده‌های سیلوکسان در فاضلاب استفاده شوند.»
کاتسولیس توضیح می دهد که طبیعت از سیلیکون استفاده نمی کند–پیوندهای کربنی اما ما دارند و حدود 80 سال است که هستند. ماهیت فرار برخی از این ترکیبات مستلزم تحقیقات بهداشتی و زیست محیطی برای درک صحیح مکانیسم های تخریب این مواد در محیط است.
مواد شیمیایی سیلوکسان را می توان در محصولات بی شماری از جمله مواردی که در نظافت منزل، مراقبت شخصی و صنایع خودروسازی، ساخت و ساز، الکترونیک و هوافضا استفاده می شود، یافت. اساس شیمیایی ترکیبات از سیلیکون ساخته شده است–پیوندهای اکسیژن، در حالی که گروه های حاوی کربن، اغلب متیل، به اتم های سیلیکون متصل هستند. پایه سیلیکون-اکسیژن به پلیمر یک خصوصیت معدنی می دهد، در حالی که گروه های سیلیکون- متیل ویژگی های آلی پلیمر را می دهند. بنابراین، این پلیمرها دارای ویژگی‌های منحصر به فردی از قبیل پایداری حرارتی و اکسیداتیو بالا، کشش سطحی کم و انعطاف‌پذیری بالای ستون فقرات هستند.
اعتقاد بر این است که سیلوکسان ها برای روزها تا ماه ها در محیط باقی می مانند و بنابراین تحقیقات در حال انجام با هدف ارائه درک علمی بهتر از ایمنی مواد سیلیکونی برای سلامت و محیط زیست است. مواد شیمیایی به طور طبیعی شروع به تکه تکه شدن به قطعات کوچکتر می کنند، به ویژه در خاک یا محیط آبی، و این قطعات فرار می شوند یا به هوا نشت می کنند، جایی که در اثر واکنش با رادیکال های آزاد در جو تجزیه می شوند. از بین تمام پیوندهای موجود در سیلوکسان ها، سیلیکون است–پیوندهای کربنی با کمترین سرعت شکسته می شوند.
کاتسولیس پس از اینکه آرنولد در مورد کار آزمایشگاه او در متقاعد کردن طبیعت به تولید سیلیکون خواند، در مورد همکاری در تلاش برای تسریع تجزیه سیلوکسان به او نزدیک شد.–پیوندهای کربنی در سال 2016، آرنولد و همکارانش از تکامل هدایت شده برای مهندسی پروتئین باکتریایی به نام سیتوکروم استفاده کردند. درجه سانتی گراد برای تشکیل سیلیکون–پیوندهای کربنی، فرآیندی که در طبیعت رخ نمی دهد. آرنولد در بیانیه خبری Caltech گفت: “ما تصمیم گرفتیم طبیعت را کاری کنیم که فقط شیمیدان ها می توانند انجام دهند – فقط بهتر است.” این تحقیق نشان داد که زیست‌شناسی می‌تواند این ارتباطات را به روش‌هایی برقرار کند که نسبت به روش‌هایی که به‌طور سنتی توسط شیمیدان‌ها استفاده می‌شود، سازگارتر با محیط زیست باشد.
در مطالعه جدید، محققان می خواستند به جای ایجاد پیوندها، راه هایی برای شکستن پیوندها بیابند. دانشمندان از تکامل هدایت شده برای توسعه یک آنزیم باکتریایی به نام سیتوکروم P450 استفاده کردند. تکامل هدایت شده شبیه به پرورش سگ یا اسب است که این فرآیند برای تولید صفات مورد نظر طراحی شده است. محققان ابتدا یک نوع سیتوکروم P450 را در مجموعه آنزیم های خود شناسایی کردند که توانایی بسیار ضعیفی در تجزیه سیلیکون دارد.–پیوندهای کربنی در متیل سیلوکسان‌های فرار خطی و حلقوی، یک زیرگروه عمومی از خانواده سیلوکسان‌ها.
آنها DNA سیتوکروم P450 را جهش دادند و انواع جدید آنزیم را آزمایش کردند. سپس بهترین عملکردها دوباره جهش یافتند و آزمایش تا زمانی که آنزیم به اندازه کافی فعال شد تکرار شد تا به محققان اجازه دهد محصولات واکنش را شناسایی کرده و مکانیسم عملکرد آنزیم را مطالعه کنند.
“توسعه آنزیم هایی برای شکستن این پیوندها در سیلوکسان ها موانع منحصر به فردی را ایجاد می کند. تایلر فولتون (PhD ’22)، یکی از نویسندگان این مطالعه و یکی از همکاران فوق‌دکتری Caltech در آزمایشگاه آرنولد، می‌گوید: با تکامل مستقیم، باید صدها آنزیم جدید را به‌طور موازی ارزیابی کنیم تا چندین نوع آنزیم با فعالیت بهبودیافته را شناسایی کنیم. یکی از چالش‌ها شامل شسته شدن اجزای پلاستیکی توسط مولکول‌های سیلوکسان از صفحات 96 چاهی مورد استفاده برای غربال انواع مختلف بود. برای حل این مشکل، تیم صفحات جدید ساخته شده از تجهیزات آزمایشگاهی معمولی را ایجاد کردند.
آرنولد می‌گوید: «چالش دیگر یافتن آنزیم آغازین برای فرآیند تکامل هدایت‌شده بود، آنزیمی که حتی مقدار کمی از فعالیت مورد نظر را داشت. ما آن را در مجموعه منحصر به فرد خود از سیتوکروم P450 یافتیم که در آزمایشگاه برای سایر انواع شیمی سیلیکون جدید به طبیعت توسعه یافته است.
آنزیم بهبود یافته نهایی پیوند سیلیکون-کربن را مستقیماً نمی شکند، بلکه یک گروه متیل را در سیلوکسان ها در دو مرحله متوالی اکسید می کند. در اصل، این به این معنی است که دو کربن–پیوندهای هیدروژنی با پیوندهای کربنی جایگزین می شوند–پیوندهای اکسیژن و این تغییر باعث می شود که پیوند سیلیکون-کربن به راحتی شکسته شود.
فولتون با اشاره به آنزیم تجزیه‌کننده پلی اتیلن ترفتالات (PET) که در باکتری‌ها یافت می‌شود، توضیح داد که این تحقیقات به موازات مطالعات مربوط به یک آنزیم پلاستیک‌خوار است. Ideonella sakaiensis در سال 2016 توسط گروهی متفاوت از محققان. “در حالی که آنزیم تجزیه کننده PET توسط طبیعت کشف شد، نه توسط مهندسان، این آنزیم الهام بخش نوآوری های دیگری بود که در نهایت برای تخریب پلاستیک به ثمر نشست. ما امیدواریم که این نمایش به طور مشابه الهام بخش کار بیشتر برای کمک به تخریب ترکیبات سیلوکسان باشد.”
