Biochemiker bringen in Bakterium Silizium "zum Leben"

5. Dezember 2016, 09:30
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Erstmals bildete ein umfunkioniertes Protein Kohlenstoff-Silizium-Bindungen. Das könnte zum Vorbild für die umweltfreundliche Herstellung von Biomolekülen werden

Pasadena/Wien – Stoffe mit Kohlenstoff-Silizium-Bindungen sind von der Industrie heiß begehrt: Sie werden unter anderem in Medikamenten, Halbleitern, Computern und Fernsehapparaten sowie in der Landwirtschaft eingesetzt. Solche siliziumorganischen Verbindungen kommen aber in der Natur nicht vor – außer in Science-Fiction: Man denke an die Spezies Horta, die auf Janus VI lebt oder besser: in einer Folge von "Raumschiff Enterprise".

Siliziumorganische Verbindungen sondern werden aber in Chemielaboratorien erzeugt, und ihre Herstellung ist aufwendig, weil die chemischen Reaktionen entweder teure Edelmetalle als Katalysatoren benötigen oder weil giftige Stoffe als Nebenprodukte entstehen. Das könnte sich nun aber ändern: Biochemiker um Frances Arnold (Caltech in Pasadena) haben erstmals mithilfe eines Bakteriums Bindungen zwischen Kohlenstoff und Silizium erzeugt.

Arnold und ihr Team brachten dafür ein spezielles Verfahren zum Einsatz, das sich "gerichtete Evolution" nennt und von Arnold in den 1990er-Jahren entwickelt wurde: Bei Genen, die in Lebewesen die Bauanleitung für Proteine enthalten, werden Veränderungen im Erbgut erzeugt, und zwar ähnlich wie beim Züchten von Rassepferden. Entscheidend beim Verfahren ist die Identifizierung von verbesserten Mutanten des Proteins, das für die Herstellung von Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen sorgen soll.

"Natürlicher" Biokatalysator

Im konkreten Fall wählten die Forscher bei einem Bakterium namens Rhodothermus marinus, das an heißen Unterseequellen bei Island zu finden ist, das Protein Cytochrom c. Normalerweise verschiebt das Protein Elektronen zwischen Proteinen. Doch die Biochemiker entdeckten, dass es auch wie ein Enzym oder Biokatalysator wirken kann, wenn es um das Herstellen von Kohlenstoff-Silizium-Bindungen geht. Mittels der gerichteten Evolution veränderten Arnold und ihr Team das Cytochrom c so, dass es tatsächlich ein effektiver Biokatalysator für Kohlenstoff-Silizium-Bindungen wurde.

Das im Fachblatt "Science" beschriebene Verfahren übertrifft laut den Forschern die Produktivität herkömmlicher Verfahren um das 15-Fache und funktioniere bei einer Vielzahl von Ausgangsstoffen und in lebenden Bakterienzellen. In einem Begleitkommentar zeigen sich auch die deutschen Forscher Hendrik Klare und Martin Oestreich (TU Berlin) beeindruckt davon, "dass nur wenige Mutationen erforderlich sind, um ein natürliches Enzym umzufunktionieren und eine Reaktion zu katalysieren, die bisher synthetischen Chemikern vorbehalten war". (red, 5.12.2016)

  • So könnte – sehr theoretisch – ein fiktives Lebewesen aussehen, das aus Silizium-Kohlenstoffverbindungen besteht.
    lei chen and yan liang (beautyofscience.com) for caltech

    So könnte – sehr theoretisch – ein fiktives Lebewesen aussehen, das aus Silizium-Kohlenstoffverbindungen besteht.

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