Per la prima volta, gli scienziati hanno progettato un enzima in grado di rompere i legami ostinati artificiali tra silicio e carbonio che esistono in sostanze chimiche ampiamente utilizzate note come silossani o siliconi. La scoperta è un primo passo verso la resa biodegradabile delle sostanze chimiche che possono rimanere nell'ambiente.
"La natura è un chimico straordinario e il suo repertorio ora include la rottura dei legami nei silossani precedentemente ritenuti in grado di sfuggire all'attacco degli organismi viventi", afferma Frances Arnold, Linus Pauling professore di ingegneria chimica, bioingegneria e biochimica al Caltech e vincitore del premio Nobel 2018. in Chimica per il suo lavoro pionieristico nell'evoluzione diretta, un metodo per ingegnerizzare enzimi e altre proteine utilizzando i principi della selezione artificiale.
Arnold e i suoi colleghi, tra cui Dimitris (Dimi) Katsoulis della Dow Inc. con sede nel Michigan, hanno utilizzato l'evoluzione diretta per creare il nuovo enzima per la scissione dei legami silicio-carbonio. I risultati sono pubblicati sulla rivista Science .
I ricercatori affermano che mentre gli usi pratici per il loro enzima ingegnerizzato potrebbero essere ancora lontani un decennio o più, il suo sviluppo apre la possibilità che un giorno i silossani possano essere degradati biologicamente.
"Ad esempio, gli organismi naturali potrebbero evolversi in ambienti ricchi di silossano per catalizzare una reazione simile, oppure versioni ulteriormente migliorate di enzimi evoluti in laboratorio come questa potrebbero essere utilizzate per trattare i contaminanti silossani nelle acque reflue", afferma Arnold.
Katsoulis spiega che la natura non utilizza legami silicio-carbonio, "ma noi lo facciamo e lo facciamo da circa 80 anni. La natura volatile di alcuni di questi composti garantisce che la ricerca sanitaria e ambientale comprenda adeguatamente i meccanismi di degradazione di questi materiali nell'ambiente". ."
Le sostanze chimiche silossane possono essere trovate in innumerevoli prodotti, compresi quelli utilizzati nella pulizia della casa, nella cura personale e nell'industria automobilistica, edile, elettronica e aerospaziale. La struttura chimica dei composti è costituita da legami silicio-ossigeno, mentre i gruppi contenenti carbonio, spesso metile, sono attaccati agli atomi di silicio.
"La struttura portante silicio-ossigeno conferisce al polimero un carattere simile a quello inorganico, mentre i gruppi silicio-metilico conferiscono al polimero caratteristiche simili a quelle organiche. Pertanto, questi polimeri hanno proprietà materiali uniche, come elevata stabilità termica e ossidativa, bassa tensione superficiale e tra gli altri, l'elevata flessibilità della dorsale", afferma Katsoulis.
Si ritiene che i silossani persistano nell'ambiente per giorni o mesi e, pertanto, la ricerca in corso mira a fornire una maggiore comprensione scientifica della salute e della sicurezza ambientale dei materiali siliconici.
Le sostanze chimiche iniziano naturalmente a frammentarsi in pezzi più piccoli, soprattutto nel suolo o negli ambienti acquatici, e tali frammenti diventano volatili o fuggono nell’aria, dove subiscono la degradazione reagendo con i radicali liberi nell’atmosfera. Di tutti i legami dei silossani, i legami silicio-carbonio sono i più lenti a rompersi.
Katsoulis ha contattato Arnold per collaborare agli sforzi per accelerare la degradazione del silossano dopo aver letto del lavoro del suo laboratorio nel convincere la natura a produrre legami silicio-carbonio. Nel 2016, Arnold e i suoi colleghi hanno utilizzato l'evoluzione diretta per progettare una proteina batterica chiamata citocromo c per formare legami silicio-carbonio, un processo che non avviene in natura.
"Abbiamo deciso di chiedere alla natura di fare ciò che solo i chimici potevano fare, solo meglio", ha detto Arnold. La ricerca ha dimostrato che la biologia potrebbe creare questi legami in modi più rispettosi dell'ambiente rispetto a quelli tradizionalmente utilizzati dai chimici.
Nel nuovo studio, i ricercatori volevano trovare modi per rompere i legami anziché crearli. Gli scienziati hanno utilizzato l'evoluzione diretta per far evolvere un enzima batterico chiamato citocromo P450.
L'evoluzione diretta è simile all'allevamento di cani o cavalli in quanto il processo è progettato per far emergere i tratti desiderati. I ricercatori hanno innanzitutto identificato una variante del citocromo P450 nella loro raccolta di enzimi che aveva una capacità molto debole di rompere i legami silicio-carbonio nei cosiddetti metilsilossani volatili lineari e ciclici, un sottogruppo comune della famiglia dei silossani.
Hanno mutato il DNA del citocromo P450 e hanno testato le nuove varianti di enzimi. Quelli con le migliori prestazioni sono stati poi nuovamente mutati e i test sono stati ripetuti finché l'enzima non è diventato sufficientemente attivo da consentire ai ricercatori di identificare i prodotti della reazione e studiare il meccanismo con cui funziona l'enzima.
"L'evoluzione degli enzimi per rompere questi legami nei silossani ha presentato ostacoli unici. Con l'evoluzione diretta, dobbiamo valutare centinaia di nuovi enzimi in parallelo per identificare alcune varianti enzimatiche con attività migliorata", afferma Tyler Fulton (Ph.D.), co-responsabile autore dello studio e studioso post-dottorato al Caltech nel laboratorio di Arnold.
Una sfida riguardava le molecole di silossano che lisciviavano i componenti di plastica dalle piastre a 96 pozzetti utilizzate per selezionare le varianti. Per risolvere il problema, il team ha creato nuove piastre realizzate con comuni forniture di laboratorio.
"Un'altra sfida è stata trovare l'enzima iniziale per il processo di evoluzione diretta, che avesse anche solo una piccola quantità dell'attività desiderata", afferma Arnold. "Lo abbiamo trovato nella nostra collezione unica di citocromo P450 evoluti in laboratorio per altri tipi di chimica del silicio nuovi in natura."
L'enzima finale migliorato non scinde direttamente il legame silicio-carbonio ma piuttosto ossida un gruppo metilico nei silossani in due passaggi sequenziali. Fondamentalmente, ciò significa che due legami carbonio-idrogeno vengono sostituiti con legami carbonio-ossigeno e questo cambiamento consente al legame silicio-carbonio di rompersi più facilmente.
La ricerca traccia parallelismi con studi che coinvolgono un enzima mangiatore di plastica, spiega Fulton, riferendosi a un enzima di degradazione del polietilene tereftalato (PET) scoperto nel batterio Ideonella sakaiensis nel 2016 da un diverso gruppo di ricercatori.
"Anche se l'enzima di degradazione del PET è stato scoperto dalla natura piuttosto che dagli ingegneri, quell'enzima ha ispirato altre innovazioni che stanno finalmente arrivando a buon fine per la degradazione della plastica. Ci auguriamo che questa dimostrazione possa ispirare allo stesso modo ulteriore lavoro per aiutare a scomporre i composti silossanici", afferma. .
Ulteriori informazioni: Nicholas S. Sarai et al, Evoluzione diretta della scissione enzimatica del legame silicio-carbonio nei silossani, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adi5554. www.science.org/doi/10.1126/science.adi5554
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