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導讀
近日，2018年諾貝爾化學獎獲得者——加州理工學院的弗朗西斯·阿諾德（Frances Arnold）教授和陶氏有機矽公司的Dimitris E. Katsoulis合作，在Science上報道了最新研究成果：首次成功設計出了一種能夠斷裂矽氧烷（又稱矽氧烷化合物或矽油）中頑固的人造矽碳鍵的酶。文章連結DOI：10.1126/science.adi5554
Frances H. Arnold教授
圖片來源：Arnold教授課題組
弗朗西絲·阿諾德（Frances Arnold）是一位傑出的美國化學家和工程師，以對酶的定向進化的研究而聞名。她於2018年獲得諾貝爾化學獎，這一成就使她成為史上第五位獲得該獎項的女性，成為了與居里夫人站在了同一個榮譽的女性。阿諾德教授透過研究如何利用生物學原理改進酶的功能，為製造生物燃料、藥物等提供了創新的方法。
阿諾德教授出生於美國賓夕法尼亞州匹茲堡市，在年輕時就展現出了強烈的獨立性和質疑精神。儘管面臨家庭壓力，她仍然堅定地選擇了自己的道路，並在科學領域取得了傑出的成就。她的學術生涯在加州理工學院取得了長足的發展，最終成為一位備受尊敬的教授。
阿諾德教授的研究聚焦在酶的定向進化上。她利用這一技術，透過借鑑自然選擇的原理，使酶的效能得到顯著提升。這項研究不僅改變了傳統的化學合成方法，還為生物製造領域帶來了新的可能性。她的成果不僅提高了生產效率，還降低了對環境的影響，為可持續發展做出了貢獻。
除了在科學研究領域取得的輝煌成就外，阿諾德教授還面對著個人生活中的挑戰。她經歷了婚姻的喪失、癌症的治療以及家庭的悲劇，但她始終保持著堅強和樂觀的態度，不斷努力追求科學的進步。正驗證了中國的諺語:“不經一番徹骨寒，怎得梅花撲鼻香”。
正文
揮發性矽氧烷（VMS）作為一類人造化學物質，因其廣泛應用於消費品生產，卻又具有環境永續性、遠距離遷移和生物富集的潛在風險，引發了化學家們的廣泛關注。尤其是隨著VMS生產規模的不斷增長，對其潛在環境影響的擔憂日益加深。面對VMS廣泛應用的社會利益和對其潛在環境危害的擔憂，本研究的意義在於為尋找一種可行的、環境友好的VMS降解途徑打開了一扇新的大門。透過對酶催化Si-C鍵裂解的理解，不僅可以更好地瞭解VMS在生物體內的代謝途徑，還可以為未來設計更強大的生物催化劑奠定基礎，從而實現VMS的高效生物降解。這一研究不僅拓展了酶催化領域的邊界，也為可持續發展提供了新的戰略，有望為VMS的環境管理和控制提供重要的科學支援。下載化學加APP到你手機，收穫更多商業合作機會。
圖1. 選定揮發性矽氧烷的物理化學性質和結構
圖片來源：Science
為了解決VMS（揮發性矽氧烷）的降解問題，作者採取了創新性的方法。首次，他們透過定向進化的手段，成功合成了一種特殊的酶，被命名為LSilOx（線性矽氧烷氧化酶）。LSilOx經過多輪定向進化，最終演變成了能夠在溫和條件下催化矽碳鍵的酶。這一過程中，作者利用了大腸桿菌裂解液，透過改變LSilOx的氨基酸序列，使其逐漸獲得對VMS進行Si-C鍵裂解的能力（圖1）。
圖2. 在大腸桿菌裂解液中使用六甲基二矽氧烷（1）、八甲基三矽氧烷（2）和八甲基環四矽氧烷（3）進行定向進化
圖片來源：Science
圖2展示了在大腸桿菌裂解液中對不同矽氧烷進行定向進化的實驗過程。透過對六甲基二矽氧烷（1）、八甲基三矽氧烷（2）和八甲基環四矽氧烷（3）的定向進化，作者成功地改良了酶的催化活性。在(A)、(B)和(C)中，LSilOx和CSilOx譜系在不同矽氧烷底物上的定向進化展示了酶活性的提高，並透過GC-MS等方法對產物進行了定量分析和結構表徵。在(D)中，野生型P450BM3的結構揭示了在定向進化過程中積累的氨基酸替換，這些替換為改良的酶活性提供了基礎。這些定向進化的結果為研究人員提供了具有更強矽碳鍵裂解活性的生物催化劑，為生物體內矽碳鍵裂解的機制研究提供了關鍵實驗資料。
圖3. 對酶催化Si-C鍵裂解的機制研究
圖片來源：Science
圖3展示了對酶催化矽碳鍵斷裂機制的詳細調查。在(A)部分，研究人員發現Si-C鍵斷裂活性與NADPH濃度相關，表明NADPH對該反應至關重要。在(B)部分，LSilOx4DFAD變體中FAD結構域的截斷導致Si-C鍵斷裂活性下降了2.6倍，說明FAD結構域對該反應起到重要作用。在(C)部分透過ABTS甲醇試驗和purpald甲醛試驗，作者發現甲醛是酶反應的副產物。對照實驗顯示，LSilOx4不會將甲醇氧化為甲醛，而裂解的碳以甲醛的形式釋放。圖D展示了以矽氧烷1或羥甘醇4作為底物的酶反應時間過程。這些實驗結果為理解酶催化矽碳鍵斷裂的機制提供了重要線索，併為未來的生物體內矽碳鍵降解研究提供了基礎。
圖4. 矽氧烷甲基團的串聯雙酶氧化導致矽-碳鍵的裂解
圖片來源：Science
圖4顯示了在與羥甘醇4的酶反應中發現的微量峰的GC-MS跡線，例如從5分鐘反應中的一個例子。這表明了在酶的作用下，羥甘醇4經歷了某種反應，產生了具有特定質譜特徵的產物。透過Swern氧化羥甘醇4，研究人員成功地在原位合成了甲醛矽氧烷10，並透過1H NMR進行了表徵。這些實驗結果為了解酶催化Si-C鍵裂解的可能機制提供了重要的線索。進一步的高分辨質譜資料顯示了在用羥甘醇4作為底物進行的5分鐘酶反應中，產生了可能與甲醛矽氧烷10相關的訊號。這些資料揭示了tandem雙酶C-H羥基化和羥甘醇氧化為甲醛矽氧烷10的可能機制。這一發現為理解生物體內矽碳鍵裂解的機制提供了重要線索，併為未來進一步研究和應用提供了基礎。
總結
阿諾德教授、Dimitris E. Katsoulis團隊發現了一種細胞色素P450酶，透過定向進化技術，使其具備了更廣泛的應用範圍，為解決環境問題和可持續發展提供了新的途徑。這一研究成果再次印證了阿諾德教授對科學的信念和責任感，她堅信科學的力量能夠改變世界，為人類帶來更美好的未來。
Frances Arnold對待科學的責任感和信念感，也啟發著太多的後輩科學家們。Frances Arnold不僅將科學視作為一種責任和使命，更是將其視為一種為人類福祉服務的崇高事業。她致力於確保她的科學成果能夠造福全人類，為人類社會的進步作出貢獻。
文獻詳情：
Nicholas S. Sarai, Tyler J. Fulton, Ryen L. O’Meara, Kadina E. Johnston, Sabine Brinkmann-Chen, Ryan R. Maar, Ron E. Tecklenburg, John M. Roberts, Jordan C. T. Reddel, Dimitris E. Katsoulis*, Frances H. Arnold*. Directed evolution of enzymatic silicon-carbon bond cleavage in siloxanes. Science,2024, 383, 438-443. DOI:10.1126/science.adi5554，https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5554
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