Содержание
Как сделать кремниевую жизнь | Наука и жизнь
Бактериальный белок научили соединять углерод с кремнием.
Земную жизнь часто называют углеродной. Особые химические свойства углерода позволяют делать из него длинные молекулярные цепи, в том числе и разветвленные, а если мы посмотрим на молекулы белков, нуклеиновых кислот и липидов, то как раз такие цепи и увидим – по преимуществу углеродные, хотя и с участием других атомов.
Структура одного из искусственных кремнийорганических соединений под микроскопом. (Фото: R. Tanaka / Flickr.com.)
Бактерии Rhodothermus marinus, чей белок модифицировали для работы с кремнием. (Фото: Microbewiki.)
‹
›
Открыть в полном размере
Но углерод такой не один – на него очень похож кремний, которого к тому же в земной коре в 150 раз больше, чем углерода (кремний вообще один из самых распространенных элементов во Вселенной). Более того, хотя жизнь на Земле и пошла по углеродному пути, некоторые живые организмы кремнием не пренебрегают: он нужен растениям как фактор плодородия (в растительных клетках можно даже найти фитолиты – микроскопические частицы диоксида кремния SiO2), а диатомовые водоросли тот же диоксид кремния используют для постройки защитного панциря.
Однако в биомолекулах кремния нет. Химики, конечно, давно научились синтезировать углеродно-кремниевые молекулы – такие кремнийорганические соединения можно найти в фармацевтике, среди красителей, уплотнителей, гербицидов и т. д. Но, повторим, у живых организмов нет ферментов, которые могли бы манипулировать кремниевыми соединениями.
И вот сотрудникам Калифорнийского технологического института такой фермент сделать удалось. Фрэнсис Арнольд (Francis H. Arnold) и ее коллеги использовали эволюционный подход, то есть сначала они из всего многообразия белков нашли такие, которые в принципе могли бы работать с кремнием, после чего начали вносить в эти молекулы более или менее случайные мутации. Из-за мутаций в белке изменялась последовательность аминокислот, а значит, менялись свойства всей белковой молекулы, в том числе и ее склонность работать с тем или иным химическим субстратом. После каждой мутации белки проверяли на предмет того, как они относятся к кремнию.
В эксперименте изначально «участвовали» не абсолютно все ферменты, которые только можно найти в живой природе, а те, что содержат химическую группу под названием гем. Самый известный гем-содержащий белок – гемоглобин, который переносит кислород. Но есть также довольно много белков, использующих гем для выполнения химических реакций: в геме заключен атом железа, и как раз благодаря железу, которое в геме легко принимает и отдает электроны, манипуляции с химическими связями становятся сильно проще с физико-химической точки зрения.
Важную роль белки с гемом играют в дыхательной цепи митохондрий. Напомним, что суть дыхательной цепи в том, чтобы окислить какую-то органическую молекулу, а полученную в результате энергию заключить в удобной для клетки форме; окисление происходит довольно сложно и с участием сразу несколько белков, среди которых львиную часть работы выполняют гем-содержащие цитохромы.
В результате искусственной эволюции, которая должны была сделать белковые молекулы способными работать с кремнием, вперед вырвался белок под названием цитохром из бактерии Rhodothermus marinus.
В статье в Science говорится, что этому цитохрому хватило совсем немного мутаций, чтобы с помощью гема и железа в нем научиться создавать химические связи между углеродом и кремнием; причем эффективность его оказалась в пятнадцать раз выше, чем у самого лучшего метода химического синтеза, используемого с той же целью. Модифицированный цитохром с синтезировал двадцать различных углеродно-кремниевых соединений, девятнадцать из которых химики до сих пор могли представить разве что в теории.
Но все это цитохром проделывал, так сказать, в пробирке, а вот что насчет настоящей клетки? Когда ген такого белка ввели в ДНК кишечной палочки, то оказалось, что в ней цитохром работает так же, как и в реакционной смеси: в клетках кишечной палочки появились углеродно-кремниевые соединения. Если учесть, что для новых функций белку понадобилось не очень много мутаций, то можно представить, что в один прекрасный день земные бактерии научатся-таки использовать кремний, и тогда кремниевая (или кремнийорганическая) жизнь, которую фантасты и астробиологи ищут на других планетах, расцветет прямо у нас под боком.
С другой стороны, кремниевая жизнь все-таки до сих пор почему-то на Земле не расцвела, хотя кремния тут более чем достаточно. Предполагается, что так вышло потому, что кремний, при всей своей схожести с углеродом, все-таки не обладает такой, как у углерода, пластичностью в формировании химических связей с другими элементами, так что потенциальное разнообразие кремнийорганических биомолекул оказывается не таким уж большим.
Возможно, новый фермент поможет экспериментально проверить эту гипотезу. Что до более приземленных материй, то авторы работы полагают, что модифицированный цитохром (или какие-то другие похожие на него белки) пригодится в производстве кремнийорганических соединений – тем более что ненужных побочных продуктов у него образуется совсем немного.
По материалам LiveScience.
Углеродный шовинизм, или почем нынче кремнийорганическая жизнь?
Кремний в одной и той же четвертой группе периодической таблицы, что и углерод, сходства химические имеются, теории по поводу жизни на его основе – тоже, а фантастика – жанр, который на таких допущениях и строится.
Но, будучи честным и немножко упоротым фантастом, претендующим на некоторую научность, я полезла проверять, что по поводу кремнийорганики настоящие ученые говорят. Начала я с гипотезы Вернадского-Ферсмана о том, что кремнийорганическая жизнь вполне возможна и на Земле, в толще магмы, например, а закончила современными исследованиями. Ладно статьи, но чего я только не прочла на форумах, скажу я вам! И тонны препирательств химиков (не советую, кстати, там иногда забывают, что они ученые, и начинают друг в друга дурно пахнущими комментариями кидаться), и злобные кусачие фразы биологов под робкими предположениями «ну а вдруг?», и едкие обоснуи физиков, почему не может быть то, чего быть не может.
Ну ладно, вздохнула я, но от идеи не отказалась, и полезла в фантастику.
Проведем пересчет кремнийорганики в фантастике?
Во первых строках, конечно, бедняга Колпаков. Много его в советской фантастике хаяли, частенько – заслуженно, ибо плагиатил он Уэллса иногда целыми страницами, но его идея о кремнийорганике отражена не только в его монографии по химии «Щедрая кремнийорганика», но и в его книгах, правда, сильно в дебри он не вдавался, но в кремнийорганику верил.
Идея о том, что кремнийорганика возможна, но жить она будет о-о-очень медленно, есть много где. В самом деле, ну зачем камню ножки, у него своя жизнь, непостижимая и размышлятельная. Это есть в «Контакте на Ленжевене» А. Константинова, например, и частенько на эту тему размышляют блогеры, когда думают о физиологии норвежских горных троллей.
Но если вдруг кремнийорганика еще и немножко углеродная, бегает и шевелится? Миролюбивый вариант – «Дьявол в темноте», один из эпизодов сериала «Стар Трек», когда колонисты сталкиваются с хортой, кремнийорганической гусеницой, разумной и не желающей помирать. Более агрессивный, но довольно научный вариант – Чужие. По легенде мира, у чужих экзоскелет – из силикатов, связанных с металлами, это позволяет зверушке плеваться кислотой и выдерживать автоматные очереди. А внутри она белковая и нежная. Менее научный и еще более агрессивный вариант – люди, у которых весь углерод на кремний заменили из повести А. Днепрова «Глиняный бог». Такие кремниевые люди у фантаста описаны как супер-солдаты – молчаливые, неубиваемые и послушные.
У Лукьяненко в «Лорде с планеты Земля» раса клэнийцев выживает на своей адовой планете в том числе за счет подкожной кремниевой пленки. У Д. Мансурова, говорят, есть раса кремнитов, не читала, но обязательно доберусь.
Отдельная любовь – это, конечно, работа с кремнийорганикой песчаного червя Шаи Хулуда. Если вдруг вы не знали – это колониальный макроорганизм. Как живет Податель пряности? Для начала из яйца вылупляется песчаная форель – это многоклеточный бесформенный комок кремниевой биомассы, который, если повезет выжить, окукливается в цисту на шесть лет, а потом вылупляется маленьким червем. А уже маленькие черви – внимание! – агглютинируют в единого червя, и он уже из нескольких метров может до 400 вымахать! Представляете? То есть по факту Шаи Хулуд – это не просто масса слипшихся маленьких червей, это сверхаддитивная система, этакая помесь бычьего цепня с вольвоксом на базе кремнийорганики! Черви имеют примитивную нервную систему, раздельнополы, откладывают яйца и играют ключевую роль в экосистеме Арракиса.
Так что интерес к кремнию у фантастов есть, и немаленький. Жизнь на основе кремния – почему бы не пофантазировать, какой она может быть? Разве не интересно? Конечно, интересно! Ученые и сами не прочь побыть мечтателями, вон, Карл Саган, известный популяризатор науки, метко и едко окрестил плюющихся ядом в сторону кремния и другой альтернативной биохимии «углеродными шовинистами». Я когда это выражение прочитала, признаюсь, долго хихикала. Обязательно где-нибудь использую!
А знаете, что самое интересное-то? В 2016 году исландские ученые изъяли термофильную бактерию из гейзеров (остается под большим вопросом, что подумала бактерия про ученых) и заставили ее фермент (цитохром-С-450, если точнее) работать на благо науки – поместили культуру в среду с углеродом и кремнием, отобрали те экземпляры, что встроили к себе в клетку кремний и немножко удивились. А ведь живет и здравствует, собака такая! Да-да, с молекулой, где часть углерода заменена кремнием. Ну раз ей можно, то долой углеродный шовинизм, мне тоже можно, подумала я, и начала с пролога вещать устами персонажа-ученого:
« – …таким образом, мы получаем частичную замену атомов углерода на атомы кремния в структуре первичного пептидоподобного соединения.
Но, поскольку кремний связывается с водородом под углом в 150°, а углерод с водородом – под углом в 109°28′, то полностью кремниевого белка существовать не может. Считалось, что принципиально кремнийорганика невозможна. И тем более развитая жизнь на ее основе. Максимум – диатомовые водоросли, да и то… они скорее аккумулируют кремнезем, чтобы раковинки себе красивые сделать. Но здесь, на этой планете, вы через пару десятков минут столкнетесь с тем, чего на Земле нет и быть не может».
Так что пойду я дальше про свою обожаемую кремнийорганику и инсектоидов писать, и да пребудет с вами и со мной наука и фантастика!
Впервые живые клетки образовали кремний-углеродные связи
Футуризм
11. 27. 16 Сесиль Де Хесус
/Robots & Machines
Оказывается, жизнь на основе кремния возможна.
/ Robots & Machines/ Cytochrome C/ Frances Arnold/ Life
11. 27. 16 by Cecille De Jesus
Органический кремний природного происхождения
Кремний, хотя и уступает кислороду по изобилию в земной коре, не встречаются в чистом виде в природе.
Он очень реактивен и мгновенно связывается с другими элементами, образуя соединения. Следовательно, чистый кремний может существовать, только создавая его в лаборатории.
То же самое относится и к связям кремний-углерод, известным как кремнийорганический: это лабораторное соединение, которое играет жизненно важную роль в ряде областей — оно используется в медицине, на производственных предприятиях, в электронике и во многих других областях. области.
Белок цитохрома с. Изображение: журналы Американского физиологического общества.
Новое исследование, однако, успешно модифицировало живые клетки и позволило им впервые в истории производить кремнийорганический. Ученые Калифорнийского технологического института использовали белок под названием цитохром с, который был получен из бактерии, обнаруженной в горячих источниках в Исландии, и мутировали ее ДНК. После трех раундов испытаний был получен фермент, который избирательно создает кремний-углеродные связи, и он в 15 раз более эффективен, чем лучшие химики-катализаторы.
Также было меньше нежелательных побочных продуктов, что сводило к минимуму потребность в дополнительных химических процессах для их удаления и, таким образом, сокращало затраты.
При производстве только кремния образуется монооксид углерода, а при синтезе соединений кремний-углерод используются токсичные растворители. Приобретение способности производить необходимые соединения естественным образом означает, что опасность для окружающей среды значительно снижается. «Мы решили заставить природу сделать то, что могли сделать только химики, — только лучше», — говорит главный исследователь Фрэнсис Арнольд.
В начале 1990-х Арнольд впервые применил направленную эволюцию, метод «разведения» ферментов, как если бы вы разводили животных или сельскохозяйственные культуры. И именно этот метод используется для исследования.
«Это как разводить скаковых лошадей», — говорит она. «Хороший заводчик признает врожденную способность лошади стать скаковой и должен передать ее в следующих поколениях.
Мы просто делаем это с помощью белков».
Жизнь на основе кремния?
Фрэнсис Арнольд выиграла приз тысячелетия в области технологий 2016 года за свой метод направленной эволюции. Изображение: Caltech
В конечном счете, эта работа является самой первой, которая показывает, что природа может адаптироваться, чтобы включать кремний в молекулы на основе углерода — строительные блоки жизни. Примечательно, что ранее ученые предполагали, что жизнь на нашей планете вполне могла развиться на основе кремния, а не углерода. Это привело бы к появлению на Земле совершенно других форм жизни, и кажется, что это исследование только что доказало, что это могло произойти.
Однако нам так и не удалось найти жизнь на основе кремния. В этом смысле эти новые клетки открывают ряд новых дверей — они могут помочь нам лучше понять возможность существования жизни на основе кремния на нашей собственной планете и в других местах во Вселенной.
Углерод и кремний химически очень похожи.
Они оба могут образовывать связи с четырьмя атомами одновременно, что делает их хорошо подходящими для формирования длинных цепочек молекул, встречающихся в жизни, таких как белки и ДНК. Кремний и углерод очень похожи по химическим свойствам, поэтому может существовать бессчетное количество миров с кремниевой жизнью.
«Каталитический механизм клетки, кодируемый ДНК, может быстро научиться запускать новые химические реакции, когда мы обеспечиваем их новыми реагентами и соответствующим стимулом в виде искусственного отбора. Природа могла бы сделать это сама, если бы захотела», — говорит Арнольд. вся жизнь на Земле, какой мы ее знаем, основана на углероде.Хотя углерод остается главным из-за его способности образовывать невероятное количество различных соединений, с потенциалом для 4 связей на атом, кремний широко рассматривается как следующее лучшее решение, если вы хотел создать сложность, необходимую для жизни.
Кремний, как и углерод, очень распространен во Вселенной и может образовывать 4 связи, создавая столь же сложные химические процессы.
Ученые Калифорнийского технологического института использовали ферменты, которые были мутированы в процессе, называемом «направленной эволюцией», и были введены в бактерию под названием Rhodothermus marinus . После 3 последовательных мутаций они были способны производить 20 различных типов кремнийорганических соединений. Это было очень сложно сделать, и это немалый подвиг.
Это может быть далеко от клейкого зверя, как показано на иллюстрации, но, так сказать, подтверждает концепцию.
Художники Рендеринг кремнийорганической жизни.
Кремнийорганические соединения содержат связи углерод-кремний. Недавние исследования лаборатории Фрэнсис Арнольд впервые показывают, что бактерии могут создавать кремнийорганические соединения. Это не доказывает, что жизнь на основе кремния или кремнийорганики возможна, но показывает, что жизнь можно убедить включить кремний в свои основные компоненты.
Если бы на Земле была жизнь на основе кремнийорганических соединений, возникла бы проблема.
Проблема с кремнием как основой жизни (в отличие от углерода) заключается в том, что молекулы, содержащие кремний, являются твердыми веществами при большинстве температур и давлений (тогда как молекулы на основе углерода обычно являются жидкостями). Таким образом, гипотетическая форма жизни на основе кремния должна быть очень горячей. Его также нужно было бы держать под высоким давлением, иначе все его некремниевые питательные вещества испарились бы. Кроме того, организм должен любой ценой избегать кислорода, иначе кислород будет реагировать с кремнием с образованием стекла (которое химически неактивно).
Поверхность Венеры (или какой-либо планеты, подобной ей) может соответствовать этим требованиям, но плотная атмосфера и облака препятствуют попаданию солнечного света на поверхность, оставляя только вулканическую активность (и связанные с ней химические вещества, образующиеся в результате указанных извержений) в качестве единственного источника энергии. для всей кремниевой экосистемы (а вулканические минералы не содержат много энергии).
Поверхность Венеры
Если бы этот гипотетический организм когда-либо посетил Землю, он бы мгновенно окаменел (и умер). Нагрев любого органического химического вещества до температур, необходимых для жизни на основе кремния, он сожжет их до состояния древесного угля. Таким образом, организм на основе кремния настолько несовместим с жизнью на основе углерода, что он никогда не смог бы даже прикоснуться к земной пище.
Не говоря уже о том, что форма жизни на основе кремния должна была бы выживать на основе пищи на основе кремния, поэтому она не сможет выжить на общепринятом представлении о питательных веществах из земли; питательные вещества основаны на углероде. Если он основан на кремнии, ему нужно будет выжить на основе пищи на основе кремния, такой как, возможно, песок. Если у него структура макромолекул подобна земной, то азот и фосфор ему нужно будет получать каким-то другим путем.
Кроме того, когда углерод окисляется, продукт, двуокись углерода, представляет собой газ.