硅在我们周围无处不在：仅次于氧，它是地壳中最丰富的元素。因此，为什么生物从未将其纳入生物化学中，长期以来一直是个谜。
现在，化学工程师们发现，可以推动活生物体将碳和硅结合在一起。他们表明，一种来自生活在温泉中的细菌的天然酶可以在活的大肠杆菌细胞内形成 C-Si 键——当细胞被喂食合适的含硅化合物时。通过改造这种酶，研究人员创造了一种比任何人工催化剂都更有效地进行反应的生物催化剂。
这一发现可能有助于化学家开发新的药物和工业催化剂，并可能解释为什么进化几乎完全避开了硅。
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没有硅的空间？
自然界在生物化学中利用了许多常见的金属：著名的例子包括红细胞中的铁和叶绿素中的镁。但是硅（一种具有金属和非金属特性的元素）似乎仅出现在生物无机化合物中，例如单细胞藻类硅藻的二氧化硅壳中。它从未进入有机生命的碳基链中。
“可怜的硅，在地球上含量丰富，但由于其奇妙的进化调整而被生物圈所拒绝，”位于纽约州伊萨卡的康奈尔大学的诺贝尔奖获得者化学家罗尔德·霍夫曼说。
研究人员已经学会使用人工催化剂将碳和硅结合在一起。但是，加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院的化学工程师弗朗西斯·阿诺德想测试一下，如果条件允许，某些生命酶是否也可以做到这一点。
通过搜寻蛋白质数据库，她和她的同事发现了几十种有希望的酶。经过一些筛选，他们选定了一种来自冰岛水下温泉中的极端微生物细菌Rhodothermus marinus的酶。他们合成了这种蛋白质的基因，并将其插入大肠杆菌中。
他们的猜测被证明是正确的：如果喂食合适的含硅前体，该酶可以催化硅-碳键合。（该酶通常不会这样做，因为细菌不会自然产生含硅化合物）。“令人惊讶的是，自然界准备好在这种新人造食物存在的情况下做各种疯狂的事情，”阿诺德说。
效率提升
尽管如此，经过改造的大肠杆菌在生产有机硅化合物方面效率不高。因此，该团队在该酶的活性区域引入了突变，并选择了表现出改善的细菌。几代足以提高产量——超过人工催化剂。结果发表在 11 月 24 日的《科学》杂志上。
霍夫曼说：“阿诺德小组的论文结合了良好的化学和定向进化，创造了以非常特定的方式形成碳-硅键的酶。很棒的工作，创造了新的化学。”
阿诺德在 1990 年代开发了定向进化技术，现在已在无数应用中使用，从改进洗衣粉到合成药物。她因此项工作获得了今年的 100 万欧元（110 万美元）千年技术奖。
“这为药物研究开辟了全新的机会，并可能导致新药的发现，”海法以色列理工学院专门从事有机化学的 Yitzhak Apeloig 说。
阿诺德说，这些发现还可以帮助解决有关生命早期进化的基本问题，特别是它对硅的蔑视是否是偶然发生的。“我们可以开始探索将硅纳入生命体的成本和收益。”
本文经许可转载，并于 2016 年 11 月 24 日首次发布。