Enzym koppelt silicium aan koolstof, opent weg naar nieuwe materialen

Een eiwit van de IJslandse heetwaterbronbacterie Rhodothermus marinus blijkt van nature silicium aan koolstof te koppelen.

Bláa Lónið, 'de blauwe lagune' op IJsland. Foto Getty Images

Een enzym afkomstig uit heetwaterbacteriën kan met een paar aanpassingen siliciumatomen aan koolstofatomen koppelen. De opbrengst van deze reactie is vijftien keer hoger dan van bestaande reacties. Amerikaanse chemici beschreven het enzym vrijdag in Science. Ze hopen dat nu makkelijker wordt nieuwe materialen en medicijnen op basis van silicium te ontwikkelen.

Verbindingen tussen koolstof en silicium hebben al veel industriële toepassingen. Siliconenkit, siliconenlijm, coatings en schuurpapier zijn een paar voorbeelden. Maar chemici zouden graag complexe, organische moleculen met silicium maken, zoals medicijnen.

In theorie is dat eenvoudig. Organische moleculen hebben een koolstofskelet. Silicium is de ideale vervanger van koolstof. Het element bezet de zelfde kolom van het periodiek systeem en kan net als koolstof vier bindingen met andere atomen aangaan.

Probleem is dat silicium van nature niet graag aan koolstof bindt. Bestaande syntheseroutes zijn ingewikkeld en inefficiënt, of er zijn dure katalysatoren als iridium en rhodium voor nodig. Bij de natuur afkijken heeft tot nu toe niets opgeleverd: er is tot nu toe geen enkel organisme gevonden dat koolstof aan silicium koppelt.

261116WET_siliciumformule

Het Amerikaanse team redeneerde dat eiwitten met een heemgroep de reactie misschien kunnen versnellen (katalyseren). Eiwitten met heem hebben een kern van ijzer, het bekendste voorbeeld is het bloedeiwit hemoglobine. Heem-enzymen zijn eerder gebruikt om zwavel- en stikstofgroepen aan koolstof te koppelen.

Een heemeiwit van de IJslandse heetwaterbronbacterie Rhodothermus marinus bleek van nature silicium aan koolstof te koppelen. Door het eiwit op drie plekken te muteren, werd de opbrengst verder verhoogd en de reactie meer dan zeven keer versneld. De onderzoekers hebben het enzym al twintig verschillende koolstof-siliciumverbindingen laten maken.