Χημικοί δεσμοί άνθρακα -πυριτίου σε ζωντανά κύτταρα

Posted on 25/11/2016

0


carbon_siliconΈνα χημικό στοιχείο στο οποίο βασίζονται όλοι οι γνωστοί ζωντανοί οργανισμοί είναι το στοιχείο του άνθρακα. Διαθέτει 4 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα και έτσι μπορεί να σχηματίζει 4 ομοιοπολικούς δεσμούς με άλλα στοιχεία. Στην ίδια ομάδα του περιοδικού συστήματος στοιχείων, αμέσως κάτω από τον άνθρακα, βρίσκεται το στοιχείο του πυριτίου. Διαθέτει επίσης τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα κι έχει κοινές ιδιότητες με τον άνθρακα. Για τον λόγο αυτό, αρκετές φορές, οι συγγραφείς έργων επιστημονικής φαντασίες περιγράφουν κάποιες μυστηριώδεις εξωγήινες μορφές ζωής, οι οποίες έχουν ως βάση το πυρίτιο, στην θέση του άνθρακα.

Η ερευνητική ομάδα της Frances Arnold, καθηγήτρια στη Σχολή Χημικών Μηχανικών του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια, προσπαθεί να κάνει την επιστημονική φαντασία πραγματικότητα. Έτσι, πριν από μερικούς μήνες ανακοίνωσαν την εξέλιξη ενός βακτηριακού ενζύμου (κυτόχρωμα c) που αντικαθιστά στους υδρογονάνθρακες τον άνθρακα με πυρίτιο. Παρά την επιτυχία αυτή, προς το παρόν τουλάχιστον δεν είναι εφικτή η δημιουργία μορφών ζωής με βάση το πυρίτιο. (Διαβάστε σχετικά εδώ: Μπορεί να δημιουργηθεί μορφή ζωής με βάση το πυρίτιο;)

Η παραπάνω εργασία των S. B. Jennifer Kan, Russell D. Lewis, Kai Chen και Frances H. Arnold δημοσιεύεται σήμερα στο επιστημονικό περιοδικό Science και για τον λόγο αυτό η χημική σύνδεση άνθρακα-πυριτίου επανεμφανίστηκε στην επικαιρότητα, όπως για παράδειγμα το άρθρο του ΑΠΕ που ακολουθεί:

Για πρώτη φορά το πυρίτιο «ζωντάνεψε»

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.
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.
Οι ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech), με επικεφαλής την καθηγήτρια Φράνσις ‘Αρνολντ του Τμήματος Χημικών και Βιολόγων Μηχανικών, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Science», 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 ‘Αρνολντ. 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 αναμένεται να έχει πλειάδα πρακτικών εφαρμογών σε διάφορες βιομηχανίες. 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 ‘Αρνολντ, εναπόκειται στην ίδια τη φύση να το «αποφασίσει».
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.

Διαβάστε επίσης: «Living cells bind silicon and carbon for the first time»