Lần đầu tiên tạo ra liên kết carbon – silicon nhờ xúc tác sinh học

Silicon chiếm 30% khối lượng vỏ Trái Đất, và silicon nằm ngay bên dưới carbon của chu kỳ IV trong bảng hệ thống tuần hoàn. Vậy tại sao carbon lại là một trong những nguyên tố của sự sống, còn silicon lại không? Hơn nữa, tại sao tự nhiên lại thiếu đi các phương pháp để tổng hợp những hợp chất hữu cơ chứa silicon (organosilicon compounds)? Các nhà khoa học tại Đại Học Caltech, California, Hoa Kỳ, đã đạt được một bước tiến đầu tiên trong việc khám phá miền đất liên kết carbon-silicon (C-Si) bằng chất xúc tác sinh học. Công trình được xuất bản trên tạp chí Science ngày 25.11.2016.

Trong tự nhiên, các sinh vật sống không sử dụng enzyme để xúc tác phản ứng tạo C-Si. Mặc dù vậy, các nhà khoa học đôi khi lại tìm thấy những chức năng hỗn tạp (promiscuous function) của enzyme: xúc tác những phản ứng khác biệt hoàn toàn chức năng sinh học của chúng.

Các nghiên cứu trước đó cho thấy các protein chứa heme có khả năng xúc tác phản ứng chèn carbene phi tự nhiên vào các liên kết N-H và S-H. Frances Arnold và cộng sự giả thiết rằng protein chứa heme cũng có thể xúc tác phản ứng chèn carbene vào liên kết Si-H. Các thí nghiệm với phenyldimethylsilane và ethyl 2-diazopropanoate (Me-EDA) cung cấp các bằng chứng sơ khai cho ý tưởng.

Arnold và cộng sự tiến hành sàng lọc và nhận thấy protein chứa heme cytochrome c từ vi khuẩn ưa nhiệt ưa mặn (thermo-halophilic) Rhodothermus marinus (ký hiệu Rma cyt c), vốn sinh trưởng ở các suối nước nóng vùng Iceland, xúc tác phản ứng với độ trội chất đối quang (enantiomeric excess – ee) lên tới 97%.

Cấu trúc tinh thể của Rma cyt c cho thấy heme nằm trong hốc kỵ nước (hydrophobic pocket) trong đó nguyên tử sắt (iron) có liên hệ trục với amino acid Histamin gần (H49) và Methionine xa (M100). Arrnold và cộng sự giả thiết rằng M100 sẽ được thay thế trong quá trình tạo thành sắt-carbenoid, và bằng cách gây đột biến điểm tại M100, “vị trí hoạt động” (active site) sẽ được tăng cường và phản ứng tạo liên kết carbon-silicon sẽ được cải thiện đáng kể.

Bằng cách sử dụng phương pháp tiến hóa có định hướng (directed evolution) do chính Arnold phát minh, nhóm nghiên cứu Caltech xây dựng một thư viện các biến thể (variant library) và xác định được đột biến M100D đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng xúc tác của Rma cyt c. Xa hơn nữa, Arnold và cộng sự tìm thấy hai dạng đột biến đôi (V75T M100D) và ba (V75T M100D M103E) với khả năng hoạt động đáng chú ý. Trong đó, đột biến ba (triple mutant, V75T M100D M103E) có mức độ hoạt động mạnh gấp 15 lần chất xúc tác công nghiệp.

Hình 1A: Phản ứng tạo liên kết C-Si từ phenyldimethylsilane và ethyl 2-diazopropanoate (Me-EDA) dưới xúc tác của protein heme. Kết quả sàng lọc được tóm tắt một phần trong bảng bên cạnh. Hemin và hemin + BSA đóng vai trò nhóm chứng. TTN, total turnover number; ee, enantiomeric excess (độ trội chất đối quang).

Hình 1B: Minh họa bề mặt của hốc kỵ nước chứa heme  ở protein Rma cyt c dạng dại (wild type).

Hình 1C: Cấu trúc “vị trí hoạt động,” các amino acid đáng chú ý là His (H49), Met (M100), Val (V75), và Met (M103).

Hình 1D: Tiến hóa có định hướng của protein Rma cyt c đối với sự hình thành liên kết C-Si (phản ứng ở hình A). 

Hình 1E: Các tỉ lệ hình thành liên kết C-Si ở bốn thế hệ của Rma cyt c. TOF, turnover frequency.

Do protein chứa heme cũng có khả năng xúc tác phản ứng chèn carbene vào liên kết N-H, các nhà khoa học xem xét tính ưu tiên của Rma cyt c trong việc tạo thành sản phẩm chứa liên kết mới C-N hoặc C-Si. Theo đó, dạng dại cho tỉ lệ xấp xỉ 1:1, còn các dạng đột biến cho thấy tính ưu tiên trong sản phẩm C-Si. 

Hình 2A: Xem xét tính ưu tiên tạo thành sản phẩm chứa liên kết C-N hay C-Si của protein Rma cyt c dạng dại và các dạng đột biến nhờ tiến hóa có định hướng.

Hình 2B: Phản ứng tạo liên kết C-Si bên trong tế bào Escherichia coli. 

Đáng chú ý, khi enzyme đột biến ba được biểu hiện trong tế bào E. coli trong mô trường buffer M9-N có bổ sung glucose (pH 7.4), phản ứng giữa Me-EDA và silan số 23 (hình 2B) cho ra sản phẩm hữu cơ silicon (organosilicon compound) số 22 với sản lượng cô lập (isolated yield) lên tới 70%. 

Các kết quả này cho thấy sự kỳ diệu của nguồn protein trong tự nhiên. Chỉ từ một vài đột biến điểm, khả năng hoạt động của enzyme tăng lên rất đáng kể. Đặt biệt, việc tạo ra liên kết C-Si trong điều kiện tế bào mở ra nhiều câu hỏi về khả năng ứng dụng trong dược phẩm và trong công nghệ sinh học.

Frances Arnold từng được nhận Giải Thưởng Công Nghệ Thiên Niên Kỷ (Milenium Techonology Prize) vào tháng Năm năm nay cho phát minh của Cô về tiến hóa có định hướng.

Huy Vũ

Nguồn hình: Knowledge Insider

Bài báo:

1. Kan, S. J., Lewis, R. D., Chen, K., & Arnold, F. H. (2016). Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to life.Science, 354(6315), 1048-1051.