私たちは自然に排泄物を食べるように教えました、それがその方法です

「自然は並外れた化学者であり、そのレパートリーには、以前は生物による攻撃を免れると考えられていたシロキサンの結合を切断することも含まれています。」カリフォルニア工科大学の化学工学、生物工学、生化学のライナス・ポーリング教授であり、2018年ノーベル賞受賞者のフランシス・アーノルド氏は、この声明で、 地球をプラスチックから解放する可能性への道を開きました。

アーノルドと、ミシガン州に本拠を置くダウ社のディミトリス（ディミ）カッツーリスを含む彼の同僚は、指向性進化（アーノルドが賞を受賞した研究と発見）を利用しました。 ノーベル) ケイ素と炭素の結合を切断するための新しい酵素を作成します。 私は勉強します 「シロキサンにおける酵素的ケイ素-炭素結合開裂の指向性進化」 サイエンス誌1月号に掲載されました。

この酵素に海洋のプラスチックを浄化する任務を委ねる可能性はまだあるが、 「十年後」 私たちから、その開発 この視点を可能にします。

「例えば、生物はシロキサンが豊富な環境で同様の反応を触媒するように進化する可能性があります。あるいは、このような研究室で進化した酵素のさらに改良されたバージョンを廃水中のシロキサン汚染物質の処理に使用できる可能性があります。」とアーノルド氏は述べ、この発見の実際的な意味を説明しました。

Katsoulis氏は、自然界はシリコンと炭素の結合を使用しないが、 「私たちはそれを行っており、約80年前にそれを始めました。 したがって、これらの化合物の一部は揮発性であるため、健康と環境の研究では、環境中でのこれらの物質の分解メカニズムを適切に理解する必要があることを意味します。」。

シロキサン化学物質は、家庭用洗浄、パーソナルケア、自動車、建設、エレクトロニクス、航空宇宙産業で使用される製品を含む、数え切れないほどの製品に含まれています。 化合物の化学構造はシリコンと酸素の結合で構成され、炭素含有基（多くの場合メチル）がシリコン原子に結合しています。

「シリコン-酸素主鎖はポリマーに無機のような特性を与え、シリコン-メチル基はポリマーに有機のような特性を与えます。したがって、これらのポリマーは、高い熱安定性と酸化安定性、低電圧表面安定性、および低電圧などのユニークな材料特性を備えています。」とりわけバックボーンの柔軟性の高さ」、ハ・スピエガート・カツーリス。

シロキサンは数日間または数か月にわたって環境中に残留します。 環境の健康と安全に対するリスクを理解することが絶対に必要です。 それらを構成する化学物質は 特に土壌や水生環境では、自然に小さな断片に断片化し始め、これらの断片は揮発性になったり、空気中に逃げたりします。、大気中のフリーラジカルと反応して分解を受けます。 すべてのシロキサン結合の中で、シリコンと炭素の結合が最も壊れにくいと学者らは説明した。

カッツーリス氏はアーノルド氏に協力を求めた。 シロキサンの分解を促進する 彼の研究室の研究について読んだ後 の中に “納得させる” ケイ素と炭素の結合を生成する性質。 実際、2016 年にアーノルドと彼の同僚は、指向性進化を利用して、 シトクロムC 自然には起こらないプロセスであるシリコンと炭素の結合を形成します。

「私たちは化学者にしかできないこと、しかしそれよりもずっと良いことを自然に『依頼』することにしました。」とアーノルドは次のように述べています。 カリフォルニア工科大学のプレスリリース。 研究はまた、生物学がプロセスを通じてこれらのつながりを生み出す可能性があることを示しています より環境に優しい 化学者が伝統的に使用していたものと比較して。

新しい研究で、研究者たちは方法を見つけたいと考えていました 絆を作るのではなく絆を壊す。 科学者は指向性進化を利用して、と呼ばれる細菌酵素を進化させました。 シトクロムP450。

同様に 自分の動物の遺伝系統の中で最も望ましい形質を特定し、それらを他の動物よりも優越させる方法で交配するブリーダーそこで学者たちは、酵素のコレクションの中でチトクロム P450 の変異体を特定しました。 いわゆる直鎖状および環状の揮発性メチルシロキサンのケイ素と炭素の結合を切断する能力はありましたが、非常に弱いものでした。

DNAを変えることで 彼らは酵素の新しい変異体を作成し、テストしました最も有望なものを特定し、自ら設定した結果に到達するまで再度変更します。 つまり、シリコンと炭素の間の人工結合を破壊するのに十分な活性を持つ酵素です。

「シロキサンのこれらの結合を切断する酵素の進化には、独特の障害がありました。指向性進化により、私たちは何百もの新しい酵素を並行して評価し、活性が向上したいくつかの酵素変異体を特定しました。」と、この研究の共同筆頭著者であり、カリフォルニア工科大学のアーノルド研究室の博士研究員であるタイラー・フルトン氏（博士号’22）は述べた。 1 つの課題には、バリアントの選択に使用される 96 ウェル プレートのプラスチック IC コンポーネントからシロキサン分子を浸出させることが含まれていました。 この問題を解決するために、チームは一般的な実験用品から作られた新しいプレートを作成しました。

「もう 1 つの課題は、たとえ少量であっても望ましい活性を持つ、指向性進化プロセスのための最初の酵素を見つけることでした。」とアーノルドは言います。 「私たちはこれを、自然界では新しい他のタイプのシリコン化学に至るまで、実験室で進化させたシトクロム P450 の独自のコレクションで発見しました。」

最終的に改良された酵素 シリコンと炭素の結合を直接切断するのではなく、2 つの連続したステップでシロキサンのメチル基を酸化します。。 基本的に、これは 2 つの炭素-水素結合が炭素-酸素結合に置き換えられることを意味します。 そしてこの変化により、シリコンと炭素の結合がより簡単に切れるようになります。

この研究は、以下の研究と類似しています。 プラスチックを食べる酵素、フルトン氏は、2016年に別の研究者グループによって細菌イデオネラ・サカイエンシス内で発見されたポリエチレンテレフタレート（PET）分解酵素に言及しながら説明した（誰が 私は勉強します）

「PET分解酵素は技術者によって発見されたものではなく、自然によって発見されたものですが、 この酵素は他のイノベーションに影響を与え、プラスチック分解に関して最終的に実現しつつあります。。 私たちは、このデモンストレーションが同様にシロキサン化合物の分解を助けるさらなる研究のきっかけとなることを願っています。」。