И вот сотрудникам Калифорнийского технологического института такой фермент сделать удалось. Фрэнсис Арнольд (
Francis H. Arnold) и ее коллеги использовали эволюционный подход, то есть сначала они из всего многообразия белков нашли такие, которые в принципе могли бы работать с кремнием, после чего начали вносить в эти молекулы более или менее случайные мутации. Из-за мутаций в белке изменялась последовательность аминокислот, а значит, менялись свойства всей белковой молекулы, в том числе и ее склонность работать с тем или иным химическим субстратом. После каждой мутации белки проверяли на предмет того, как они относятся к кремнию.В эксперименте изначально «участвовали» не абсолютно все ферменты, которые только можно найти в живой природе, а те, что содержат химическую группу под названием гем. Самый известный гем-содержащий белок – гемоглобин, который переносит кислород. Но есть также довольно много белков, использующих гем для выполнения химических реакций: в геме заключен атом железа, и как раз благодаря железу, которое в геме легко принимает и отдает электроны, манипуляции с химическими связями становятся сильно проще с физико-химической точки зрения.
Важную роль белки с гемом играют в дыхательной цепи митохондрий. Напомним, что суть дыхательной цепи в том, чтобы окислить какую-то органическую молекулу, а полученную в результате энергию заключить в удобной для клетки форме; окисление происходит довольно сложно и с участием сразу несколько белков, среди которых львиную часть работы выполняют гем-содержащие цитохромы.
В результате искусственной эволюции, которая должны была сделать белковые молекулы способными работать с кремнием, вперед вырвался белок под названием цитохром из бактерии
Rhodothermus marinus. В статье в
Science говорится, что этому цитохрому хватило совсем немного мутаций, чтобы с помощью гема и железа в нем научиться создавать химические связи между углеродом и кремнием; причем эффективность его оказалась в пятнадцать раз выше, чем у самого лучшего метода химического синтеза, используемого с той же целью. Модифицированный цитохром с синтезировал двадцать различных углеродно-кремниевых соединений, девятнадцать из которых химики до сих пор могли представить разве что в теории.
Но все это цитохром проделывал, так сказать, в пробирке,
а вот что насчет настоящей клетки? Когда
ген такого белка ввели в ДНК кишечной палочки, то оказалось, что
в ней цитохром работает так же, как и в реакционной смеси: в клетках кишечной палочки появились углеродно-кремниевые соединения. Если учесть, что для новых функций белку понадобилось не очень много мутаций,
то можно представить, что в один прекрасный день земные бактерии научатся-таки использовать кремний, и тогда кремниевая (или кремнийорганическая) жизнь, которую фантасты и астробиологи ищут на других планетах, расцветет прямо у нас под боком.