Posibilidad de crecimiento de la vida basada en el silicio
La ciencia ficción ha imaginado durante mucho tiempo mundos extraterrestres habitados por vida basada en silicio, como las tribus devoradoras de piedras de la serie "Star Trek". Ahora, por primera vez, los científicos han demostrado que la naturaleza podría haber evolucionado para incorporar silicio en moléculas basadas en carbono, los componentes básicos de la vida en la Tierra.
En cuanto a las posibles implicaciones de estos hallazgos para la química extraterrestre en mundos distantes, Francis Arnold, ingeniero químico del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, dijo: "Mi sensación es que si se pudiera inducir vida en Si El silicio y el carbono están unidos, la naturaleza puede hacer lo mismo Los científicos detallaron recientemente sus hallazgos en la revista Science. El esqueleto de la vida en la Tierra se basa en el carbono, probablemente porque cada átomo de carbono puede formar enlaces con hasta cuatro átomos más. Al mismo tiempo, una propiedad que hace que el carbono sea ideal para formar las moléculas de cadena larga que conocemos como proteínas y ADN, que son la base de la vida.
Los investigadores han planteado durante mucho tiempo la hipótesis de que la vida extraterrestre puede tener un carácter completamente diferente. base química que la vida en la Tierra, por ejemplo, en lugar de depender del amoníaco o el metano, como solvente en el que operan las moléculas biológicas. Quizás los extraterrestres podrían usar silicio para crear moléculas vivas en lugar de depender del carbono. > Las propiedades químicas del carbono y del silicio son muy similares, ya que los átomos de silicio también pueden interactuar con muchos otros átomos al mismo tiempo. Además, el silicio es uno de los elementos más comunes en el universo. , el silicio constituye casi el 30% de la masa terrestre y es 150 veces más abundante que el carbono en la corteza terrestre. > Los científicos saben desde hace mucho tiempo que la vida en la Tierra es capaz de procesar químicamente el silicio. Por ejemplo, las partículas de sílice llamadas fitosilicatos pueden ser. Se encuentra en pastos y otras plantas, en forma de algas fotosintéticas llamadas diatomeas. Sin embargo, no se conocen ejemplos de organismos naturales en la Tierra que combinen silicio y carbono en moléculas. , los químicos han sintetizado moléculas compuestas de silicio y carbono. Estos compuestos de silicio se encuentran en una amplia variedad de productos, incluidos productos farmacéuticos, selladores, masillas, adhesivos, pinturas, herbicidas, fungicidas y pantallas de computadoras y televisores. descubrió una manera de unir carbono mediante métodos de combinación química con silicio.
"Queríamos ver si podíamos tomar lo que la biología ya está haciendo y expandirnos a nuevas áreas de la química que no se han explorado en la naturaleza. ", dijo Arnold. Hechos]
Los investigadores guiaron a los microbios para crear moléculas nunca vistas en la naturaleza a través de una estrategia llamada "evolución dirigida", que los agricultores han cultivado durante mucho tiempo generación tras generación. Para mejorar los cultivos y el ganado para obtener la propiedades que desean, los científicos también han criado microorganismos para producir las moléculas que desean. A lo largo de los años, los científicos han utilizado estrategias de evolución dirigida para crear productos como productos de limpieza para el hogar, formas respetuosas con el medio ambiente de fabricar medicamentos, combustibles y otros productos industriales (fabricación química tradicional). Los procesos pueden requerir sustancias químicas tóxicas, mientras que las estrategias de evolución dirigida utilizan organismos para crear "moles")
Arnold y ella, la química orgánica sintética Jennifer Kan, el bioingeniero Russell Lewis y el químico Kai Chen, se centraron en las enzimas. , proteínas que catalizan o aceleran reacciones químicas. Su objetivo es crear enzimas que produzcan compuestos organosilícicos.
"Mi laboratorio utiliza la evolución para diseñar nuevas enzimas", dijo Arnold. "Nadie sabe realmente cómo diseñarlas; son muy complejas. Pero estamos aprendiendo cómo utilizar la evolución para crear nuevos organismos. " , como en la naturaleza.
Primero, los investigadores comenzaron a sospechar que, en principio, era posible manipular químicamente las enzimas del silicio. Luego, las mutaron de forma más o menos aleatoria. proteínas y probó las enzimas resultantes para determinar sus propiedades deseables.
Las enzimas de mejor rendimiento se vuelven a mutar y el proceso se repite hasta que los científicos obtienen los resultados que desean.
Arnold y sus colegas comenzaron con enzimas llamadas proteínas hemo, que tienen hierro en su núcleo y catalizan una variedad de reacciones. Probablemente la proteína hemo más conocida sea la hemoglobina, un pigmento rojo que ayuda a la sangre a transportar oxígeno.
Después de probar una variedad de hemoglobinas, los científicos se centraron en una de una bacteria, Erysipelothrix marinus, que proviene de las aguas termales islandesas. Esta hemoglobina, llamada citocromo c, normalmente pasa electrones a otras proteínas en los microorganismos, pero después de analizar la estructura del citocromo c, Arnold y sus colegas descubrieron que también produce bajas concentraciones de compuestos organosilícicos.
Los investigadores sospechan que unas pocas mutaciones podrían aumentar considerablemente la actividad catalítica de la enzima. De hecho, sólo tres rondas de mutaciones fueron suficientes para transformar la proteína en un catalizador que crea enlaces carbono-silicio con una eficacia más de 15 veces mayor que las mejores técnicas de síntesis actuales. Arnold dijo que la enzima mutante puede producir al menos 20 compuestos organosilícicos diferentes, 19 de los cuales han sido descubiertos recientemente. Aún no está claro dónde se utilizarán estos nuevos compuestos. "La mayor sorpresa de este trabajo es lo fácil que es derivar nuevas funciones de la biología que quizás nunca hayan sido seleccionadas en la naturaleza pero que aún son útiles para los humanos", dijo Arnold. La biología parece estar preparada para innovar. > Además de demostrar que una enzima mutante puede producir compuestos organosilícicos por sí sola en un tubo de ensayo, los científicos han demostrado que las E. coli genéticamente modificadas para producir una enzima mutante también pueden producir compuestos organosilícicos dentro de sí mismas. plantean la posibilidad de que los microbios en algún momento desarrollaron naturalmente la capacidad de producir estas moléculas en un universo donde la vida podría existir, hemos demostrado que la vida es una posibilidad muy fácil de existir con moléculas orgánicas, incluido el silicio, tal como lo conocemos. y una vez que puedas hacerlo en algún lugar del universo, será muy posible "[El mejor lugar del sistema solar para buscar vida extraterrestre]
Si bien el silicio es más común en la corteza terrestre, ¿por qué hay vida en ella? La Tierra está basada en carbono sigue siendo una pregunta abierta. Investigaciones anteriores han demostrado que el silicio puede formar enlaces químicos con menos átomos que el carbono, y que los átomos con los que interactúa tienden a formar estructuras moleculares menos complejas. Al darle a la vida la capacidad de crear compuestos organosilícicos, investigaciones futuras podrían examinar por qué la vida aquí o en otros lugares puede haber desarrollado o no la capacidad de incorporar silicio en biomoléculas.
Además de las implicaciones para la astrobiología, los investigadores señalan que su estudio muestra que los procesos biológicos pueden producir compuestos organosilícicos que son más respetuosos con el medio ambiente y más baratos que los métodos existentes para sintetizar estas sustancias. molecular. Por ejemplo, las tecnologías actuales utilizadas para fabricar compuestos organosilícicos a menudo requieren metales preciosos y disolventes tóxicos. Las enzimas mutantes "KDSPE" "KDSP" también reducen los subproductos no deseados. En contraste, las tecnologías existentes a menudo requieren pasos adicionales para eliminar los subproductos no deseados, lo que aumenta el costo de fabricar estas moléculas", dijo Arnold. "KDSPE "KDSPs"". Estoy discutiendo las posibles aplicaciones de nuestro trabajo con varias empresas químicas. Estos compuestos son difíciles de sintetizar, por lo que producirlos a través de rutas biológicas limpias es muy atractivo.
"Si le damos esta capacidad a un organismo, podríamos hacerlo. "Descubrimos que la razón por la que no lo encontramos en la naturaleza es porque existe o no existe", dijo Arnold. La investigación fue apoyada por subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias, la Iniciativa de Innovación de Caltech y el Instituto Jacobs de Ingeniería Molecular en Medicina de Caltech.
Esta noticia es proporcionada por la revista Astrobiology, una publicación en línea patrocinada por el Programa de Astrobiología de la NASA. Siga Space@Spacedotcom, Facebook y Google+. Artículo publicado en Espacio