Ερευνητές «ζωντάνεψαν» το πυρίτιο! Bringing Silicon to Life

Δημιούργησαν πρωτεΐνη που δημιουργεί μόνη της τους δεσμούς άνθρακα-πυριτίου. A new study is the first to show that living organisms can be persuaded to make silicon-carbon bonds--something only chemists had done before. Scientists have "bred" a bacterial protein to have the ability to make the human-made bonds--a finding that has applications in several industries.

Για πρώτη φορά επιστήμονες στις ΗΠΑ «έπεισαν» ζωντανούς οργανισμούς να δημιουργήσουν χημικούς δεσμούς πυριτίου-άνθρακα, κάτι που έως τώρα μόνο οι χημικοί είχαν καταφέρει να πετύχουν στο εργαστήριο και μάλιστα με πολύ μικρότερη αποτελεσματικότητα.

Η κουμπαριά

Ζωντανά βακτηριακά κύτταρα «πάντρεψαν» το πυρίτιο και τον άνθρακα για πρώτη φορά, με «κουμπάρο» (βιολογικό καταλύτη) ένα τροποποιημένο από τους ερευνητές ένζυμο. Με άλλα λόγια, η φύση προσαρμόστηκε να κάνει κάτι που είχε αποφύγει να κάνει μέχρι σήμερα μόνη της: να ενσωματώσει το πυρίτιο στα μόρια του άνθρακα. Με δεδομένο ότι ο άνθρακας αποτελεί τη βάση της ζωής στη Γη, ενώ το πυρίτιο τη βάση της ηλεκτρονικής και ψηφιακής τεχνολογίας, ο «γάμος» τους σε βιολογικό πλέον επίπεδο ανοίγει νέες δυνατότητες, αδιανόητες μέχρι σήμερα.

Το επίτευγμα   

Researchers in Frances Arnold’s lab at Caltech have persuaded living organisms to make chemical bonds not found in nature. The finding may change how medicines and other chemicals are made in the future. Credit: Caltech

Οι ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech), με επικεφαλής την καθηγήτρια Φράνσις Άρνολντ του Τμήματος Χημικών και Βιολόγων Μηχανικών ανέπτυξαν μια βακτηριακή πρωτεΐνη, η οποία μπορεί να δημιουργήσει μόνη της τους δεσμούς άνθρακα-πυριτίου, με βάση τη μέθοδο της λεγόμενης «κατευθυνόμενης εξέλιξης». Με την ίδια τεχνική, εδώ και χρόνια δημιουργούνται νέα και καλύτερα ένζυμα (π.χ. για απορρυπαντικά) μέσω μετάλλαξης και τεχνητής επιλογής στο εργαστήριο. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που διευκολύνουν τις χημικές αντιδράσεις.

Στη συγκεκριμένη περίπτωση, οι επιστήμονες δεν βελτίωσαν απλώς τη βιολογική λειτουργία ενός ενζύμου, αλλά το «έπεισαν» -με την κατάλληλη μετάλλαξη στο DNA του- να κάνει κάτι που ποτέ πριν δεν είχε κάνει: να δημιουργήσει δεσμούς άνθρακα-πυριτίου. Ως αφετηρία χρησιμοποιήθηκε μια πρωτεΐνη (το κυτόχρωμα C) ενός ακραιόφιλου βακτηρίου, του Rhodothermus marinus, που αναπτύσσεται στις θερρμοπηγές της Ισλανδίας. Τελικά, δημιουργήθηκε ένα ένζυμο που δημιουργεί τέτοιους δεσμούς 15 φορές πιο αποτελεσματικά από ό,τι το καλύτερο ένζυμο (καταλύτης), που έχουν δημιουργήσει οι χημικοί μέχρι σήμερα.

«Αποφασίσαμε να καθοδηγήσουμε τη φύση, ώστε να κάνει αυτό που μόνο οι χημικοί μπορούσαν να κάνουν - και να το κάνει καλύτερα», δήλωσε η Άρνολντ. Η νέα διαδικασία είναι μη τοξική, φθηνότερη και πιο εύκολη από την υπάρχουσα, ενώ μπορεί να πραγματοποιηθεί τόσο σε θερμοκρασία δωματίου, όσο και σε νερό. Το επίτευγμα που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Science» αναμένεται να έχει πλειάδα πρακτικών εφαρμογών σε διάφορες βιομηχανίες.

Το αίνιγμα

Το πυρίτιο είναι -μετά το οξυγόνο- το δεύτερο πιο κοινό στοιχείο στο φλοιό της Γης, αλλά αποτελεί αίνιγμα η ανυπαρξία του στη βιόσφαιρα. Κανένας ζωντανός οργανισμός δεν το έχει μόνος του ενσωματώσει στη βιοχημεία του μέχρι σήμερα, ενώ αντίθετα κάτι τέτοιο έχει συμβεί με μέταλλα όπως το σίδηρο ή το μαγνήσιο. «Μολονότι το πυρίτιο είναι άφθονο παντού γύρω μας, στα πετρώματα και στις παραλίες, όμως κανείς γνωστός έμβιος οργανισμός δεν είχε έως τώρα δημιουργήσει δεσμούς άνθρακα-πυριτίου», δήλωσε η ερευνήτρια Τζένιφερ Καν.

Στο παρελθόν οι χημικοί είχαν συνθέσει μόρια με οργανοπυρίτιο (συνδυασμό άνθρακα και πυριτίου), τα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί σε φαρμακευτικά, λιπάσματα, βαφές ημιαγωγούς, οθόνες και άλλα προϊόντα. Στο μέλλον, τέτοια μόρια δεν θα χρειάζεται να είναι συνθετικά, αφού θα μπορούν να παραχθούν από ζωντανούς οργανισμούς, με τρόπο φθηνότερο και πιο φιλικό προς το περιβάλλον (με λιγότερα ανεπιθύμητα υποπροϊόντα και απόβλητα). Όσον αφορά το ερώτημα κατά πόσο η ζωή μόνη της -χωρίς την παρέμβαση των επιστημόνων- θα εξελιχθεί κάποτε, ώστε να χρησιμοποιεί πυρίτιο ενσωματώνοντάς το στα οργανικά μόρια, αυτό, όπως είπε η Άρνολντ, εναπόκειται στην ίδια τη φύση να το «αποφασίσει».        

Το όραμα

This is an artist rendering of organosilicon-based life. Organosilicon compounds contain carbon-silicon bonds. Recent research from the laboratory of Frances Arnold shows, for the first time, that bacteria can create organosilicon compounds. This does not prove that silicon- or organosilicon-based life is possible, but shows that life could be persuaded to incorporate silicon into its basic components. Credit: Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) for Caltech

Ο άνθρακας και το πυρίτιο είναι χημικά όμοια στοιχεία, που μπορούν να δημιουργήσουν χημικούς δεσμούς με τέσσερα άτομα ταυτόχρονα, πράγμα που τους καθιστά την κατάλληλη βάση για το σχηματισμό των μακρών αλυσίδων μορίων της ζωής, όπως οι πρωτεΐνες και το DNA. Οι επιστήμονες εδώ και χρόνια αναρωτιούνταν αν η ζωή στον πλανήτη μας θα μπορούσε να είχε εξελιχθεί με βάση το πυρίτιο και όχι τον άνθρακα και κατά πόσο κάτι τέτοιο μπορεί ήδη να συμβαίνει σε άλλο πλανήτη. Κατά καιρούς οι συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας οραματίσθηκαν κόσμους με βάση το πυρίτιο - και τώρα το όραμά τους έρχεται ένα βήμα πιο κοντά στην υλοποίησή του.

Πηγή: S. B. J. Kan, R. D. Lewis, K. Chen, F. H. Arnold. Directed evolution of cytochrome c for carbon-silicon bond formation: Bringing silicon to life. Science, 2016; 354 (6315): 1048 DOI: 10.1126/science.aah6219