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Un experimento abre la vía a la vida basada en el silicio

Crean una enzima que puede hacer enlaces de silicio-carbono 15 veces más eficientes que el mejor catalizador inventado por los químicos


Científicos del Caltech han creado una enzima que puede hacer enlaces de silicio-carbono 15 veces más eficientes que el mejor catalizador inventado por los químicos. Por primera vez se demuestra que la naturaleza puede incorporar silicio a las moléculas basadas en el carbono, el elemento en el que está fundamentada la vida. Este descubrimiento replantea la posibilidad de vida basada en el silicio, tal como ha imaginado la ciencia ficción en otros planetas.





Visión artística de vida extraterrestre hecha de silicio.  © Lei Chen et Yan Liang, Caltech
Visión artística de vida extraterrestre hecha de silicio. © Lei Chen et Yan Liang, Caltech
Una bacteria ha conseguido realizar en laboratorio una función química desconocida en la naturaleza, la incorporación de silicio a una molécula orgánica, según explica Caltech en un comunicado.

Los compuestos orgánicos de silicio, o compuestos de organosilicio, son compuestos orgánicos que contienen enlaces covalentes entre átomos de carbono y de silicio.

Las moléculas de estos compuestos se encuentran en productos farmacéuticos, así como en muchos otros productos, incluyendo productos químicos agrícolas, pinturas, semiconductores, y pantallas de ordenador y televisión. Actualmente, estos productos se fabrican sintéticamente, ya que los enlaces silicio-carbono no se encuentran en la naturaleza.

La nueva investigación demuestra que la biología puede ser utilizada para la fabricación de estos compuestos de forma más respetuosa con el medio ambiente y potencialmente mucho más barata.

El estudio es también el primero en demostrar que la naturaleza puede adaptarse para incorporar el silicio a las moléculas basadas en el carbono, el elemento en el que está fundamentada la vida.

Los científicos se han preguntado siempre si la vida en la Tierra podría haber evolucionado basada en el silicio, en lugar del carbono. Los autores de ciencia ficción han imaginado mundos con vida basada en el silicio, como ocurre en un episodio de la serie de televisión Star Trek de los años sesenta del siglo pasado.

Sin embargo, la química del silicio es más pobre que la del carbono, con una mayor carga de electrones, y la vida terrestre hizo su elección supuestamente basándose en esta ventaja. 

El carbono y el silicio son químicamente muy similares. Ambos pueden formar enlaces de cuatro átomos simultáneamente, haciéndolos bien adaptados para formar las cadenas largas de moléculas encontradas en la vida, tales como las proteínas y el ADN.

Ningún organismo vivo es capaz de unir los enlaces silicio-carbono, a pesar de que el silicio es muy abundante en las rocas y en cualquier playa, dicen los investigadores. El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre.

Evolución dirigida

Los investigadores utilizaron un método llamado evolución dirigida, iniciado por Frances Arnold en los años 90, en el cual se crean nuevas y mejores enzimas en laboratorios por selección artificial, similar a la manera en que los reproductores modifican el maíz, las vacas o los gatos.

Las enzimas son una clase de proteínas que catalizan, o facilitan, las reacciones químicas. El proceso de evolución dirigida comienza con una enzima que los científicos quieren mejorar. El ADN que codifica la enzima se muta de manera más o menos aleatoria, y las enzimas resultantes se ensayan para un resultado deseado. La enzima mejorada es entonces mutada de nuevo, y el proceso se repite hasta que se crea una enzima que realiza sus funciones mucho mejor que la original.

La evolución dirigida se ha utilizado durante años para hacer enzimas destinadas a los productos del hogar, y para la fabricación de productos farmacéuticos, productos químicos agrícolas y combustibles.

En el nuevo estudio, el objetivo no era sólo mejorar la función biológica de una enzima, sino persuadirla de hacer algo que no había hecho antes. El primer paso de los investigadores fue encontrar un candidato adecuado, una enzima que mostrara el potencial para hacer los enlaces silicio-carbono.

El candidato ideal resultó ser la proteína de una bacteria que crece en aguas termales de Islandia. Esa proteína, llamada citocromo c, normalmente transporta electrones a otras proteínas. Sin embargo, los investigadores descubrieron que también podía actuar como una enzima creadora de enlaces de silicio-carbono a niveles bajos.

Mejorado el  original

Los científicos luego mutaron el ADN del citrocromo c y probaron la capacidad de esas enzimas mutantes para fabricar compuestos de organosilicio que superaran el modelo original.

Después de sólo tres rondas, crearon una enzima que puede hacer selectivamente enlaces de silicio-carbono 15 veces más eficiente que el mejor catalizador inventado por los químicos. Además, la enzima es altamente selectiva, lo que significa que hace menos subproductos no deseados que tienen que ser químicamente separados.

En cuanto a la cuestión de si la vida puede evolucionar para usar el silicio por sí misma, los investigadores señalan que depende de la naturaleza.

El estudio muestra cómo la naturaleza puede adaptarse rápidamente a nuevos retos. La mutación genética del citocromo c puede aprender rápidamente a promover nuevas reacciones químicas cuando se le proporcionen nuevos reactivos y el incentivo apropiado en forma de selección artificial. La naturaleza podría haber hecho esto por si misma si hubiera querido, señalan los investigadores.

Referencia

Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to life
 S. B. Jennifer Kan, Russell D. Lewis, Kai Chen, Frances H. Arnold.  Science 25 Nov 2016:
 Vol. 354, Issue 6315, pp. 1048-1051.  DOI: 10.1126/science.aah6219


Martes, 29 de Noviembre 2016
Caltech/T21
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