Lebende Zelle stellt organische Silicium-Verbindung her

Künsterlische Darstellung einer hypothetischen Silicium-basierten Lebensform
Bild: Lei Chen und Yan Liang (BeautyOfScience.com) für Caltech

Chemiker des Caltech-Instituts in Pasadena haben lebende Zellen dazu gebracht, Kohlenstoff–Silicium-Bindungen zu erzeugen. Diese Art der Chemie wurde zuvor noch nie in irgendeiner Lebensform beobachtet.

Die Wissenschaftler um Prof. Frances Arnold nutzten für diese ungewöhnliche Reaktion ein Enzym namens Cytochrom c. Dieses Enzym kommt in sehr vielen Lebewesen vor, aber nicht jede Form ist für die Verarbeitung von Silicium geeignet. Die Gruppe landete einen Treffer: Cytochrom c aus dem Bakterium Rhodothermus marinus lieferte von zwei möglichen Reaktionsproduktion fast ausschließlich nur eines der beiden. Das ist besonders wichtig für die Entwicklung von Medikamenten. Organische Siliciumverbindungen werden aber auch in Halbleitern, Bildschirmen und Farben verwendet.

Das organische Molekül (grün) "schiebt" sich zwischen die Silicium–Wasserstoff-Bindung (blau).
Dieser Reaktions-Typ war bisher nur Chemikern vorbehalten: Ein organisches Molekül (grün) „schiebt“ sich zwischen die Silicium–Wasserstoff-Bindung eines anderen Moleküls (blau).

Evolution im Labor

Weil die Struktur des Enzyms bekannt ist, konnten sich die Forscher überlegen, welche Teile des Enzyms die Reaktion beeinflussen könnten. Eine bestimmte Aminosäure, Methionin-100, schien den Chemikalien während der Reaktion im Weg zu sein.

Die Chemiker mutierten das Enzym durch die sogenannte „gerichtete Evolution“, einem Verfahren, das seit über 20 Jahren bekannt ist. In diesem Verfahren wurde die Erbinformation, die das Cytochrom c codiert, zufällig verändert. Unter allen Enzymen die aus der Erbinformationen wurden die herausgepickt, die die gewünschten Eigenschaften haben. Dieser Vorgang wurde so lange wiederholt, bis alle gewünschten Varianten des Enzyms da waren.

Bild: Kan et al., Science 2016, (354:6315), 1048
Links: Eingebettet in einer Enzym-Tasche liegt das aktive Zentrum. Rechts: Die Reaktion findet an einem Eisen-Ion (rot) statt, das im Zentrum eines Cofaktors (blau) sitzt. Bild: Kan et al., Science 2016, (354:6315), 1048, PDB ID: 3CP5

In den neuen Varianten war das „sperrige“ Methionin-100 jeweils durch andere Aminosäuren ersetzt. Eine Version war besonders herausragend, sie enthielt Asparaginsäure anstelle des Methionins. Mit dieser kleinen Veränderung erfolgte der Silicium-Einbau zwölf Mal schneller als im unveränderten Enzym.

„Super-Mutant“ schlägt Katalysatoren

Aber das reichte den Chemikern nicht: Sie veränderten zusätzlich noch zwei weitere Aminosäuren, nämlich Valin-75 und Methionin-103, und fanden unter den möglichen Kombinationen eine mit herausragenden Eigenschaften: Eines der Enzyme war so schnell, dass sie selbst die besten bekannten Katalysatoren dieser Reaktion um mehr als das Fünfzehnfache übertraf.

Normalerweise sind Enzyme sehr wählerisch, was ihre Reaktionspartner angeht. Das ist gut für Lebewesen, weil dann nur genau die Reaktionen im Körper stattfinden, die stattfinden sollen. Chemiker wollen aber normalerweise, dass ein Katalysator oder ein Enzym eine Reaktion mit möglichst vielen Ausgangsstoffen stattfinden lässt. Genau das tat das neue Enzym: Insgesamt berichten die Forscher im Fachblatt Science von 20 verschiedenen Reaktionsprodukten, die ihr Enzym herstellte.

Die hohe Leistungsfähigkeit dieses Enzyms machte das Team zuversichtlich, die Reaktion in ein lebenden Zellen zu testen. Sie hatten Erfolg: Tatsächlich stellten die Bakterien vom Typ Eschericha coli, die den „Super-Mutanten“ produzierten, auch die erhoffte Kohlenstoff–Silicium-Verbindung her, und das sogar in 70 % Ausbeute.

Reaktion mit Silicium in einer Zelle
Eine Lebensform stellt zum ersten Mal eine Silicium–Kohlenstoff-Bindung her. Bisher war das nur Chemikern vorbehalten. Bild: Kan et al., Science 2016, (354:6315), 1048

Organische Substanzen, die Kohlenstoff–Silicium-Bindungen enthalten, sind zwar schon lange bekannt; allerdings wurden sie alle bisher von Menschen gemacht.

Star-Trek-Fans wissen, dass das Leben wie wir es kennen, auf Kohlenstoff basiert. Das ist eigentlich erstaunlich, denn Silicium bildet 30 % der Erdkruste und wäre auch in der Lage, Moleküle zu bilden aus denen Organismen bestehen könnten. Ganz offenbar ist das aber nicht der Fall, jedenfalls nicht auf unserem Heimatplaneten. Die Arbeit der Forschergruppe beweist nicht, dass Leben auf Silicium-Basis existieren würde. Sie zeigt aber, dass Lebewesen in der Lage sein können, Silicum-haltige Verbindungen herzustellen.

 

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