Según un estudio reciente del Instituto de Tecnología de California, los científicos tienen por primera vez una muestra de que la naturaleza puede evolucionar para incorporar silicio en moléculas basadas en el carbono, los componentes básicos de la vida en la Tierra.
A raiz de esto, el autor principal del estudio, Frances Arnold, un ingeniero químico en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena dijo que su sensación es que si un ser humano puede convencer a la vida para que construya lazos entre el silicio y el carbono, la naturaleza puede hacerlo también.
Los científicos detallaron sus hallazgos recientemente en la revista Science.
El carbono es la columna vertebral de cada molécula biológica conocida. La vida en la Tierra se basa en el carbono, probablemente debido a que cada átomo de carbono puede formar enlaces con otros hasta cuatro átomos de forma simultánea. Esta cualidad hace del carbono muy adecuado para formar las largas cadenas de moléculas que sirven como base para la vida tal como la conocemos, como las proteínas y el ADN.
Aún así, los investigadores han especulado durante mucho tiempo que la vida extraterrestre podría tener una base química completamente diferente de la vida en la Tierra. Por ejemplo, en lugar de confiar en el agua como disolvente en el que operan las moléculas biológicas, tal vez los extraterrestres podrían depender del amoníaco o del metano. Y en lugar de depender del carbono para crear las moléculas de la vida, tal vez los extraterrestres podrían utilizar silicio.
Carbono y silicio son químicamente muy similares, pues los átomos de silicio también pueden formar enlaces con hasta cuatro átomos de forma simultánea. Además, el silicio es uno de los elementos más comunes en el Universo. Por ejemplo, el silicio representa casi el 30 por ciento de la masa de la corteza terrestre, y es aproximadamente 150 veces más abundante que el carbono en la corteza terrestre.
Los científicos saben desde hace tiempo que la vida en la Tierra es capaz de manipular químicamente el silicio. Por ejemplo, las partículas microscópicas denominadas fitolitos de silicio se pueden encontrar en los pastos y otras plantas, y algas fotosintéticas conocidas como diatomeas incorporan el dióxido de silicio en su esqueleto. Sin embargo, no hay casos naturales conocidos de la vida en la Tierra combinando silicio y carbono juntos en sus moléculas.
Aún así, los químicos han sintetizado artificialmente moléculas compuestas tanto de silicio como de carbono. Estos compuestos organo-silicatos se encuentran en una amplia gama de productos, incluyendo productos farmacéuticos, sellantes, masillas, adhesivos, pinturas, herbicidas, fungicidas, y pantallas de ordenador y de televisión. Ahora, los científicos han descubierto una manera de convencer químicamente a la biología para que el enlace carbono-silicio se combinen.
"Queríamos ver si podíamos usar lo que la biología ya hace, expandirse a nuevas áreas de la química, las cuales no han sido exploradas todavía por la naturaleza ", dijo Arnold.
Los investigadores dirigieron los microbios en la creación de moléculas nunca antes vistas en la naturaleza a través de una estrategia conocida como "evolución dirigida", que fue pionera en Arnold a principios de 1990. Del mismo modo que los agricultores han modificado cultivos y el ganado a lo largo de generaciones de cría, seleccionando los organismos que poseen los rasgos adecuados, también lo han hecho los científicos criando microbios para generar las moléculas que desean.
Los científicos han utilizado estrategias evolutivas dirigidas durante años para crear artículos de uso doméstico tales como detergentes, y desarrollar maneras amigables con el ambiente para hacer productos farmacéuticos, combustibles y otros productos industriales. (Procesos de fabricación de productos químicos convencionales pueden requerir productos químicos tóxicos; por el contrario, las estrategias evolutivas dirigidas utilizan organismos vivos para crear moléculas y, en general, evitar la manipulación química que resultaría perjudicial para la vida.)
Arnold y su equipo se centró en las enzimas, las proteínas que catalizan o aceleran las reacciones químicas. Su objetivo era crear enzimas que puedan generar compuestos orgánicos de silicio
.
.
"Mi laboratorio utiliza la evolución para diseñar nuevas enzimas", dijo Arnold. "En realidad, nadie sabe cómo diseñarlas (las enzimas son tremendamente complejas). Pero estamos aprendiendo a cómo usar la evolución para hacer nuevas enzimas, al igual que lo hace la naturaleza ".
Los investigadores en el laboratorio de Frances Arnold en Caltech han convencido a los organismos vivos para hacer los enlaces químicos que no se encuentran en la naturaleza. El hallazgo podría cambiar la forma en que se producen los medicamentos y otros productos químicos que se realizarán en el futuro.
En primer lugar, los investigadores comenzaron con enzimas que sospechaban que podrían, en principio, manipular químicamente el silicio. A continuación, se mutaron los ADN productores de estas proteínas más o menos al azar y se probaron las enzimas resultantes para el rasgo deseado. Las enzimas que llevaron a cabo mejor su desempeño se mutaron de nuevo, y se repitió el proceso hasta que los científicos llegaron los resultados que querían.
Arnold y sus colegas comenzaron con las enzimas conocidas como hemo proteínas, las cuales son capaces de catalizar una amplia variedad de reacciones. La hemo proteína más común es la hemoglobina, el pigmento rojo de la sangre que ayuda a transportar el oxígeno.
Después de probar una variedad de hemo proteínas, los científicos se concentraron en la Rhodothermus marinus, una bacteria de las aguas termales en Islandia. La hemo proteína en cuestión, conocida como citocromo c, es la que transporta electrones a otras proteínas en el microbio. Arnold y sus colegas encontraron que también podría generar niveles bajos de compuestos orgánicos de silicio.
Después de analizar la estructura del citocromo c, los investigadores sospecharon que sólo unas pocas mutaciones podrían mejorar en gran medida la actividad catalítica de la enzima. De hecho, sólo tres rondas de mutaciones fueron suficientes para convertir esta proteína en un catalizador que podría generar enlaces carbono-silicio más de 15 veces más eficiente que las mejores técnicas sintéticas disponibles en la actualidad. La enzima mutante podía generar al menos 20 compuestos orgánicos de silicio diferentes, 19 de los cuales eran nuevos para la ciencia. Todavía no se sabe qué aplicaciones podrían ser capaces de encontrar para estos nuevos compuestos.
"La mayor sorpresa de este trabajo es lo fácil que era conseguir nuevas funciones de la biología, nuevas funciones tal vez nunca seleccionados en el mundo natural y que son útiles para los seres humanos", dijo Arnold. "El mundo biológico siempre parece estar listo para innovar".
Además de mostrar que la enzima mutante podría auto generar compuestos organo-silicatos en un tubo de ensayo, los científicos también mostraron que la bacteria E. coli posee la ingeniería genética para producir la enzima mutante dentro de sí misma; para así también crear compuestos orgánicos de silicio. Este resultado plantea la posibilidad de que los microbios podrían haber evolucionado naturalmente con la capacidad de crear estas moléculas.
"En el universo de posibilidades que existen para la vida, hemos demostrado que se trata de una posibilidad muy fácil para la vida tal como la conocemos incluir silicio en moléculas orgánicas", dijo Arnold. "Y una vez que se puede hacer en algún lugar del universo, es probable que se está haciendo en otros."
Sigue siendo una pregunta abierta por qué la vida en la Tierra se basa en el carbono cuando el silicio es más frecuente en la corteza terrestre. Investigaciones anteriores sugieren que, en comparación con el carbono, el silicio puede formar enlaces químicos con un menor número de tipos de átomos, y que a menudo formas menos complejas de estructuras moleculares con los átomos que pueda interactuar. Al dar la vida la capacidad de crear compuestos orgánicos de silicio, la investigación futura puede probar por qué la vida aquí o en otro lugar puede o no haber evolucionado para incorporar silicio en las moléculas biológicas.
Además de las implicaciones de astrobiología, los investigadores señalaron que su trabajo sugiere que los procesos biológicos podrían generar compuestos orgánicos de silicio en formas que sean más respetuosos del medio ambiente y potencialmente mucho menos costosos que los métodos existentes para sintetizar estas moléculas. Por ejemplo, las técnicas actuales para la creación de compuestos orgánicos de silicio a menudo requieren metales preciosos y disolventes tóxicos.
La enzima mutante también hace menos subproductos no deseados. Por el contrario, las técnicas existentes típicamente requieren pasos adicionales para eliminar subproductos indeseables, añadiendo al coste de hacer estas moléculas.
"Estoy hablando con varias compañías químicas en este momento acerca de las posibles aplicaciones para nuestro trabajo", dijo Arnold. "Estos compuestos son difíciles de hacer sintéticamente, por lo que una ruta biológica limpia para producir estos compuestos es muy atractiva."
La investigación futura puede explorar qué ventajas y desventajas de la capacidad de crear compuestos orgánicos de silicio podría tener para los organismos. "Al dar a esta capacidad a un organismo, podremos ver si hay o no una razón por la cual no tropezar a través de ella en el mundo natural", dijo Arnold.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation, el programa Iniciativa Innovación Caltech, y el Instituto de Ingeniería Molecular Jacobs para la Medicina en Caltech.
Traducido por:
Profesor Mariano Miguel Lanzi
Fuente original:
No hay comentarios:
Publicar un comentario