挥发性硅氧烷（VMS）作为一类人造化学物质，因其广泛应用于消费品生产，却又具有环境持久性、远距离迁移和生物富集的潜在风险，引发了化学家们的广泛关注。尤其是随着VMS生产规模的不断增长，对其潜在环境影响的担忧日益加深。面对VMS广泛应用的社会利益和对其潜在环境危害的担忧，本研究的意义在于为寻找一种可行的、环境友好的VMS降解途径打开了一扇新的大门。通过对酶催化Si-C键裂解的理解，不仅可以更好地了解VMS在生物体内的代谢途径，还可以为未来设计更强大的生物催化剂奠定基础，从而实现VMS的高效生物降解。这一研究不仅拓展了酶催化领域的边界，也为可持续发展提供了新的战略，有望为VMS的环境管理和控制提供重要的科学支持。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

图片来源：Science

为了解决VMS（挥发性硅氧烷）的降解问题，作者采取了创新性的方法。首次，他们通过定向进化的手段，成功合成了一种特殊的酶，被命名为LSilOx（线性硅氧烷氧化酶）。LSilOx经过多轮定向进化，最终演变成了能够在温和条件下催化硅碳键的酶。这一过程中，作者利用了大肠杆菌裂解液，通过改变LSilOx的氨基酸序列，使其逐渐获得对VMS进行Si-C键裂解的能力（图1）。

图2. 在大肠杆菌裂解液中使用六甲基二硅氧烷（1）、八甲基三硅氧烷（2）和八甲基环四硅氧烷（3）进行定向进化

图2展示了在大肠杆菌裂解液中对不同硅氧烷进行定向进化的实验过程。通过对六甲基二硅氧烷（1）、八甲基三硅氧烷（2）和八甲基环四硅氧烷（3）的定向进化，作者成功地改良了酶的催化活性。在(A)、(B)和(C)中，LSilOx和CSilOx谱系在不同硅氧烷底物上的定向进化展示了酶活性的提高，并通过GC-MS等方法对产物进行了定量分析和结构表征。在(D)中，野生型P450BM3的结构揭示了在定向进化过程中积累的氨基酸替换，这些替换为改良的酶活性提供了基础。这些定向进化的结果为研究人员提供了具有更强硅碳键裂解活性的生物催化剂，为生物体内硅碳键裂解的机制研究提供了关键实验数据。

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图3展示了对酶催化硅碳键断裂机制的详细调查。在(A)部分，研究人员发现Si-C键断裂活性与NADPH浓度相关，表明NADPH对该反应至关重要。在(B)部分，LSilOx4DFAD变体中FAD结构域的截断导致Si-C键断裂活性下降了2.6倍，说明FAD结构域对该反应起到重要作用。在(C)部分通过ABTS甲醇试验和purpald甲醛试验，作者发现甲醛是酶反应的副产物。对照实验显示，LSilOx4不会将甲醇氧化为甲醛，而裂解的碳以甲醛的形式释放。图D展示了以硅氧烷1或羟甘醇4作为底物的酶反应时间过程。这些实验结果为理解酶催化硅碳键断裂的机制提供了重要线索，并为未来的生物体内硅碳键降解研究提供了基础。

图4. 硅氧烷甲基团的串联双酶氧化导致硅-碳键的裂解

图4显示了在与羟甘醇4的酶反应中发现的微量峰的GC-MS迹线，例如从5分钟反应中的一个例子。这表明了在酶的作用下，羟甘醇4经历了某种反应，产生了具有特定质谱特征的产物。通过Swern氧化羟甘醇4，研究人员成功地在原位合成了甲醛硅氧烷10，并通过¹H NMR进行了表征。这些实验结果为了解酶催化Si-C键裂解的可能机制提供了重要的线索。进一步的高分辨质谱数据显示了在用羟甘醇4作为底物进行的5分钟酶反应中，产生了可能与甲醛硅氧烷10相关的信号。这些数据揭示了tandem双酶C-H羟基化和羟甘醇氧化为甲醛硅氧烷10的可能机制。这一发现为理解生物体内硅碳键裂解的机制提供了重要线索，并为未来进一步研究和应用提供了基础。