Белок для Электроника: Фермент как фабрика
Традиционный подход генной инженерии состоит во внедрении чужого гена в какой-нибудь микроорганизм с тем, чтобы использовать его в качестве крохотной «живой фабрики» для синтеза чего-нибудь полезного, что этот ген кодирует. Однако подход этот не сработает для белков, отвечающих за синтез кремнийсодержащих структур, которые встречаются, например, у некоторых морских губок: минералы, которые они производят, для обычных клеток токсичны.
Поэтому калифорнийские биологи из группы Дэниела Морзе (Daniel Morse) прибегли к иной стратегии — использовали синтетический, искусственный организм, представляющий собой крайне упрощенную «живую клетку». В общем-то, это всего лишь пластиковое «ядро», заключенное в липидный пузырек, играющий роль мембраны. Внутрь «ядра» ученые поместили фрагменты ДНК, кодирующие уникальный белок силикатеин, который отвечает у некоторых морских организмов за синтез специфических кремнийсодержащих минеральных веществ. Эти фрагменты ДНК также представляли собой не «натуральные», а искусственные гены, случайную комбинацию из генов двух близких форм силикатеина, с внедренными в нее дополнительными случайными мутациями.
Такие «ядра» помещались в раствор, содержащий смесь бактериальных белков, необходимых для трансляции этих генов — то есть, превращения их в РНК, а затем синтеза на этой основе готовых белков. И лишь затем вся система окружалась липидной мембраной. Искусственная биохимическая фабрика заработала, производя искусственную форму силикатеина, который накапливался на поверхности пластикового «ядра», в которую были предусмотрительно встроены связывающие силикатеин антитела.
На этом этапе «биофабрика силикатеина» превратилась в «биофабрику кремнийсодержащих минералов»: ученые разрушили внешние мембраны и поместили усеянные белком пластиковые «ядра» в раствор, содержавший соединения кремния (или титана), а затем, вновь сформировали вокруг них мембраны.
В зависимости от того, какие именно соединения оказались внутри такой «клетки», белки успешно производили диоксид кремния или титана, накапливая минерал внутри своих мембран. Затем был произведен отбор — опять же, искусственный. Заметим, в этой работе вообще потребовалось много всего «искусственного», хотя в основе своей все компоненты и методы вполне «естественные».
Авторы отобрали «клетки» самые крупные — то есть, накопившие больше всего минерала. Их ученые подвергли разрушительному перемалыванию, оставив те «клетки», которые сохранились целыми даже после такой обработки. Таким образом были отобраны те из них, которые содержат самые эффективно работающие формы силикатеина. Из 30-ти таких систем снова были выделены ДНК, которые подверглись секвенированию для установления их кодирующей последовательности (напомним, что изначально ученые имели большой набор случайных форм гена силикатеина).
Ничуть не удивительно, что в некоторых случаях такие гены были очень близки к естественным генам силикатеинов, однако обнаружились и новые, видимо, не встречающиеся в природе варианты. На их основе ученые синтезировали уже чистые белки и тщательно изучили свойства минералов, которые эти белки производят. Оказалось, что если обычный «естественный» силикатеин действует, формируя неупорядоченные скопления минеральных кремниевых частиц, новые «искусственные» белки приводят к появлению более сложных наночастицы, включающих также некоторое количества металлических оксидов. А один из таких белков (названный силикатеин Х1) даже формировал упорядоченные слои из кремний-белковых волокон.
Таким образом, использовав эволюционный подход, ученые нашли путь, не только апробированный самой природой, но и совершенно новые решения, которые, насколько нам известно, у живых организмов не встречается, и создали новые интересные материалы. Вспомним, что некоторые морские губки способны производить кремниевые структуры, вполне годные для использования в качестве оптоволокна, а некоторые бактерии — металлосодержащие магнитные наночастицы. Быть может, их комбинация (а получать ее вполне возможно описанным способом) даст нам совершенно новые технологические решения для будущей электроники — или даже Электроников.
По публикации Ars Technica