Жизненная форма на основе кремниевой органики. Рендер: Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) для Калифорнийского технологического института в Пасадене
Авторы научно-фантастических произведений давно предполагали, что инопланетная жизнь не обязательно должна быть основана на углероде. Например, в качестве основы может использоваться ближайший аналог углерода в таблице Менделеева — кремний (Si). Он похож на углерод по некоторым химическим свойствам. Например, подобно атомам углерода, для атомов кремния является характерным состояние sp3-гибридизации орбиталей. Специалисты называют кремний наиболее вероятным претендентом на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии.
Странно только то, что в земной природе таких организмов почему-то не обнаружено. Живые клетки упорно отказывается использовать кремний по своей воле. Но если природа не может сделать этот шаг и перейти на кремний — можно ей помочь. Специалисты с кафедры химии и химических технологий Калифорнийского технологического института в Пасадене впервые в истории науки получили органические клетки с углеродно-кремниевой химической связью с помощью живого биокатализатора. Об этом открытии сегодня 25 ноября 2016 года написал журнал Science.
Кремний составляет почти 30% массы земной коры, это второй по распространённости химический элемент на Земле. Несмотря на это, до сих пор не обнаружено ни одного живого организма, способного формировать углеродно-кремниевые химические связи. По каким-то причинам в природе органические смеси на основе кремния не встречаются, хотя это отличные материалы, которые синтезированы и используются в промышленности и медицине. Например, в исследованиях новых лекарств углерод заменяют на кремний, чтобы обойти патентные ограничения на стандартные формулы с углеродом. В химии тоже используются органические полимеры на основе кремния. Их применяют в сельском хозяйстве и полупроводниковой промышленности.
Хотя кремний в избытке присутствует в земной коре, синтезировать органический кремниевый полимер стандартными методами очень непросто. Это многоступенчатый технический процесс, который в некоторых случаях требует использования катализаторов из драгоценных металлов (родий, иридий), низкой температуры, а также галогенсодержащих растворителей.
Процедура очень сложная, так что учёные задумывались о том, чтобы для такой задачи лучше всего будет использовать генетически модифицированный биологический фермент. Известно, что ферменты способны осуществлять различные химические реакции с высокой точностью и эффективностью гораздо выше, чем у стандартных методов химического синтеза. В этой роли фермент выполняет роль биокатализатора. Его легко включить в ряд других техник биомедицины.
Фермент для создания кремниевой органики — дешёвый способ, позволяющий использовать ресурсы из окружающей среды. Процесс будет идти в естественных условиях без дополнительных усилий и помощи извне.
Учёные из Калифорнийского технологического института в Пасадене предположили, что для такой задачи лучше всего подойдут гемопротеины, которые в оригинальном виде в живом организме содержат небелковые компоненты: железо или магний. К такого рода белкам относятся гемоглобин и его производные, хлорофилл-содержащие белки и ферменты и др.
По идее, модифицированный гемопротеин мог бы стать катализатором для внедрения карбена (соединения двухвалентного углерода) в кремниево-водородную химическую связи. Таким образом произошло бы связывание кремния с органической белковой цепочкой. Учёные испытали несколько земных организмов, в организме которых присутствует данный гемопротеин — и нашли наиболее подходящий организм. Такой оказалась бактерия-экстремофил Rhodothermus marinus, которая обитает в гейзерах Исландии.
Учёные взяли у бактерии Rhodothermus marinus гем-содержащий белок цитохром с — и внедрили его в кишечную палочку (E.coli), стандартную бактерию для таких генных опытов. Поначалу E.coli с гемопротеином не очень хорошо справлялась с задачей, но через три поколения мутаций эффективность образования кремниево-углеродных связей значительно увеличилась.
После трёх поколений направленных мутаций такой биокатализатор стал в 15 раз раз эффективнее, чем любой синтетический катализатор для синтеза кремний-органических полимеров.
На видео: структура небольшого гем-содержащего белка цитохром с у бактерии Rhodothermus marinus. В центральном районе виден атом железа красного цвета. Исследователи модифицировали аминокислоты в районе, обозначенном розовым цветом, чтобы этот гемопротеин смог работать в качестве катализатора для формирования кремниево-углеродных связей
Перед исследователями стояла задача удешевить и оптимизировать производство кремниевых органических полимеров, которые нужны промышленности. Они не ставили задачу создать кремниевую или кремний-углеродную жизнь. Но невольно учёные сделали первый шаг на этом пути. Генно-модифицированные бактерии способны создавать кремний-углеродные связи в живых клетках. Теоретически, с их помощью можно выращивать живые организмы на основе углеродно-кремниевой биохимии, как и предполагалось в научной фантастике.
Научная работа опубликована 25 ноября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aah6219)
Комментарии (43)
Dark_Rider
25.11.2016 13:23https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D1%8F%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B1%D0%BE%D0%B3
Надеюсь, так дело не пойдет?
Fen1kz
25.11.2016 14:49-1> весь углерод в организме человека постепенно заменяется на кремний, что делает его послушным, неуязвимым для пуль и неспособным говорить монстром.
Я не уверен, что это хоть как-то связано не то что с научностью, но и со здравым смысломhdfan2
25.11.2016 15:27+2Это фантастика 60-х. Она скорее социальная, чем техническая, про борьбу с фашизмом. Написано, кстати, довольно интересно.
dimkss
25.11.2016 14:11В свете того, что жизнь на земле использует все что можно для жизни: сверла, подшипники, колеса (и это не считая человечества), какова вероятность того, что где-то на Земле есть простейшие на основе кремния?
Robotex
25.11.2016 16:05+2У кремния очень много проблем: например, как выдохнуть песок? Если кремниевая жизнь где-то и есть, то это Венера.
sumanai
25.11.2016 16:13А зачем его выдыхать? Можно в туалет им сходить.
arheops
25.11.2016 17:34+1То, что СО и СО2 летучие и прекрасно водорастворимые — очень сильно упрощает обмен веществ внутри клеток. А оксиды кремния летучие при нереальных температурах и растворимые при при тысячах градусов.
Перед тем, как сходить им в туалет, его то надо вывести из зоны обмена как-то.
killik
25.11.2016 16:17+1Зачем выдыхать песок? И углеродные организмы приспособлены для удаления не только газообразных, но и жидких и твердых отходов жизнедеятельности. Те же деревья от лишнего углерода избавляются плодами, листьями и древесиной ствола. Последнее вообще прикольный хинт — деревья это практически мхи, которые научились использовать для приближения к источнику энергии вместо камней собственные отходы.
coturnix19
25.11.2016 22:29Не, топологически мох — плоский, а дерево, да и вообще большинсто семенных растений — сферы.
Jellion
25.11.2016 17:27+1Практически никакая. Одна из ключевых проблем заключается в том, что оксид кремния очень стойкое вещество. Оксид углерода разложить довольно просто, чтобы выделенный углерод снова использовать в круговороте жизни. С кремнием такое не прокатывает. И если он окислился, то система лишается этого ресурса. Когда неокисленный кремний закончится, жизнь как энергетическая система закончится тоже.
Вроде бы есть организмы, который его более-менее активно используют, но чтобы он составлял основу химии, такого нет.
Rasato
25.11.2016 14:11«Это многоступенчатый технический процесс, который в некоторых случаях требует использования катализаторов из драгоценных металлов (родий, иридий), низкой температуры, а также галогенсодержащих растворителей.»
То есть если я правильно понимаю, кремний-органическую жизнь следует искать на тех планетах, где это нормальные условия?killik
25.11.2016 16:05В следующем же абзаце написано же. Ферменты это и есть органические катализаторы, они могут всю эту благородную радость заменить. Но проектирование ферментов это тот еще фронтир.
Rasato
25.11.2016 16:21Фермент выдумали сами экспериментаторы чтобы облегчить себе жизнь.
Я же говорю про поиск места, где этот процесс будет естественным.killik
25.11.2016 16:27Что естественного в металлических катализаторах? Они вообще-то со временем отравляются и перестают катализировать. Ферменты естественно тоже, но их куда энергетически выгоднее заново наработать, чем платину очистить.
coturnix19
25.11.2016 22:33Значительная, (если не большая — тут я не в курсе) часть «ферментов» — это типа «обвязка» для собственно катализаторов которыми обычно являются ионы переходных металлов. Так что металлы-катализаторы — это естественно.
SvSh123
28.11.2016 12:46Естественным он мог бы быть на планете с фторной атмосферой. На такой планете вполне мог бы быть океан из плавиковой кислоты, в которой благополучно растворялся бы кремний.
potan
25.11.2016 15:05Надо человеку этот ген пересадить. В тканях некоторых органов соединения кремния даже лучше углеродных.
SLY_G
25.11.2016 15:54Кажется, у Беляева что-то такое было.
5oclock
25.11.2016 18:10Я тоже искал у Беляева, но оказалось — нет:
http://lib.com.ua/books/2/902n1.html
nehrung
25.11.2016 20:42+2Первым вспомнилось ефремовское «Сердце змеи» — но нет, там про фтор как замену кислороду. Правильный ответ — А. Днепров «Глиняный бог».
difussion003
27.11.2016 01:16а я первым вспомнил «Статуи Ленжевена»:
http://books.rusf.ru/unzip/add-2003/xussr_mr/malovv18.htm?2/2
Eldhenn
25.11.2016 17:26И правда, почему это в природе нет кремниевой органики? Учитывая, что
Это многоступенчатый технический процесс, который в некоторых случаях требует использования катализаторов из драгоценных металлов (родий, иридий), низкой температуры, а также галогенсодержащих растворителей
tautomer
25.11.2016 20:37Это не стоит учитывать, потому что большинство химических реакций для синтеза углеродной органики тоже происходят не при комнатной температуре и не без концентрированных кислот, да и платиново-родиевых катализаторов. А стадий реакции гораздо больше, чем в случае ферментативных реакций.
Eldhenn
25.11.2016 21:01Органика, насколько мне известно, сама синтезируется в первичном бульоне при наличии внешней энергии — света, молний, вулканов тех же.
Vjatcheslav3345
28.11.2016 08:56Органика, насколько мне известно, сама синтезируется в первичном бульоне при наличии внешней энергии — света, молний, вулканов тех же.
Тогда почему кремнийорганика по ударами молний и в кратерах вулканов (откуда пыль её должна была попадать в воздух) в слоях горных пород не синтезируется? — всё ж есть — давление, температура, оксиды металлов в качестве катализатора.Eldhenn
28.11.2016 09:43Именно драгоценных металлов? Именно тех, которые нужны, там, где нужны? Да, и «галоген-содержащие растворители» тоже присутствуют? Очевидно, создание «кремний-органики» значительно более сложный процесс, чем создание углеродной органики.
miksoft
25.11.2016 17:27+1Странно только то, что в земной природе таких организмов почему-то не обнаружено. Живые клетки упорно отказывается использовать кремний по своей воле.
Таких — это каких?
Диатомовые водоросли — это одноклеточные и колониальные водоросли, которые отличаются наличием у клеток защитного корпуса, состоящего из диоксида кремния.
А это такие или не такие?
Для термина «использовать», имхо, вполне достаточно.sumanai
25.11.2016 17:51Думается, тут имеется в виду использование кремния для образования структурных соединений. А так то кремний и человеку нужен, около 40мг в день, но нужен.
Zulus-Imba
25.11.2016 17:48+1Весь доступный кремний в оксидах, его крайне сложно разложить, для подобной не углеродной органики, необходима планет с очень экзотичными условиями.
Eldhenn
25.11.2016 18:04В оксидах он уже после кислородной катастрофы. До того он был вполне чистым.
coturnix19
25.11.2016 22:36Он всегда в оксидах, образует их еще до формирования планет, в космосе, благодаря избытку кислорода в космосе (его больше чем всех других химически активных элементов кроме водорода вместе взятых)
saege5b
25.11.2016 23:49тут бы подошли что-то типа силанов, но они не сильно то устойчивы, абсолютно не любят кислород, и длина цепочки очень ограниченна.
thousandsofthem
https://www.youtube.com/watch?v=n79xVJur1Q8
Прекрасная лекция о небелковой жизни. TL;DR: жизнь на основе кремния крайне маловероятна но есть несколько других перспективных кандидатов
Jamdaze
опять фиолетовая ссылка, чем дальше тем печальнее