硅基生命增长的可能性
关于这些发现对遥远世界的外星化学可能产生的影响，帕萨迪纳加州理工学院的化学工程师弗朗西斯·阿诺德说:“我的感觉是，如果一个人可以诱导生命在硅和碳之间建立联系，他自然可以做到。”。科学家们最近在《科学》杂志上详述了他们的发现。
碳是所有已知生物分子的骨架。地球上的生命以碳为基础，可能是因为每个碳原子可以同时与多达四个其他原子形成键。这种特性使得碳非常适合形成长链分子，我们知道长链分子是生命的基础，如蛋白质和DNA。[图中探索火星生命]
研究人员长期以来一直猜测，外星生命可能与地球上的生命有着完全不同的化学基础。例如，外星人可能依赖氨或甲烷而不是水作为生物分子运行的溶剂。也许外星人可以使用硅，而不是依靠碳来创造生命分子。
碳和硅在化学上非常相似，因为硅原子也可以同时与多达四个其他原子形成键。此外，硅是宇宙中最常见的元素之一。例如，硅几乎占地壳的30%，其含量约为地壳中碳的150倍。
科学家们早就知道地球上的生命可以通过化学手段操纵硅。例如，在草和其他植物中可以发现被称为植物硅酸体的二氧化硅颗粒，被称为硅藻的光合藻类在其骨骼中含有二氧化硅。然而，地球上没有已知的生命将硅和碳结合成分子的自然例子。
它还是化学家合成的由硅和碳组成的分子。这些有机硅化合物广泛存在于各种产品中，包括药物、密封剂、填缝材料、粘合剂、油漆、除草剂、杀真菌剂以及计算机和电视屏幕。现在，科学家发现了一种化学结合碳和硅的方法。阿诺德说:
“我们想看看我们是否可以利用生物学已经取得的成就，扩展到自然界尚未探索的化学新领域。”。[关于硅的事实]
研究人员使用了一种称为“定向进化”的策略来引导微生物创造出自然界中从未见过的分子。这一策略是由阿诺德在20世纪90年代初提出的。正如农民长期以来通过培养一代又一代的生物来获得他们想要的特性来改善作物和牲畜一样，科学家培养微生物来制造他们想要的分子。多年来，科学家们一直使用定向进化策略来制造家用洗涤剂和其他产品，并开发了环境友好的方法来制造药物、燃料和其他工业产品。传统的化学制造过程可能需要有毒的化学物质。相反，定向进化策略利用活的有机体来创造鼹鼠。
阿诺德和她的团队——合成有机化学家詹妮弗·坎、生物工程师罗素·刘易斯和化学家程凯——专注于酶，一种催化或加速化学反应的蛋白质。他们的目标是创造能够产生有机硅化合物的酶。
“我的实验室利用进化来设计新的酶，”阿诺德说。没有人真正知道如何设计它们——它们非常复杂。但是我们正在学习如何利用进化来创造新的生物，就像大自然一样。
首先，研究人员开始怀疑，原则上，硅酶可以被化学操纵。接下来，他们以或多或少随机的方式突变了这些蛋白质的DNA蓝图，并测试了由此产生的酶所需的特性。表现最好的酶再次发生突变，这个过程一直重复，直到科学家获得他们想要的结果。
阿诺德和她的同事们从一种名为血红素蛋白的酶开始，血红素蛋白的心脏中有铁，可以催化许多反应。最广泛认可的血红素蛋白可能是血红蛋白，一种帮助血液携氧的红色色素。
在测试了多种血红素蛋白后，科学家们将注意力集中在冰岛温泉中一种细菌的血红素蛋白上——红热病马里诺。问题中的血红素蛋白质被称为细胞色素C，通常会将电子转移到微生物中的其他蛋白质，但阿诺德和她的同事在分析细胞色素C的结构后发现，它也可以产生低水平的有机硅化合物。
研究人员怀疑，只有少数突变可能会大大增强这种酶的催化活性。事实上，只需要三轮突变就足以将这种蛋白质转化为催化剂，可以产生碳硅键，效率比目前最好的合成技术高出15倍。阿诺德说，这种突变酶可以产生至少20种不同的有机硅化合物，其中19是新发现的。尚不清楚人们能为这些新化合物找到什么样的应用。阿诺德说:
“这项工作最大的惊喜是从生物学中获得新功能是多么容易。在自然界中，新的功能可能永远不会被选择，仍然对人类有用。”生物界似乎总是乐于创新。
除了在试管中展示突变酶可以自我生成有机硅化合物，科学家还展示了通过基因工程产生突变酶的大肠杆菌也可以在自身生成有机硅化合物。阿诺德说，这一结果提高了微生物在某处自然进化产生这些分子的可能性。“KDSP”和“KDSP”存在于宇宙中的生命的可能性。我们已经表明，生命是一种非常容易的可能性，正如我们所知，包括有机分子中的硅。一旦你能在宇宙中的某个地方做到这一点，你可能就会做到。“[太阳系中寻找外星生命的最佳地点]
当硅在地壳中更加普遍时，为什么地球上的生命是以碳为基础的，这仍然是一个悬而未决的问题。先前的研究表明，与碳相比，硅可以与更少种类的原子形成化学键，并且它常常与它可以相互作用的原子形成不太复杂的分子结构。通过赋予生命创造有机硅化合物的能力，未来的研究可以测试为什么这里或其他地方的生命可能会或可能不会进化到将硅与生物分子结合。
除了天体生物学的意义，研究人员指出，他们的研究表明，生物过程可以产生更环保的有机硅化合物，而且它们比现有的合成这些物质的方法便宜得多。分子例如，目前制造有机硅化合物的技术通常需要贵金属和有毒溶剂。“kdspe”和“kdsps”突变酶也减少了不需要的副产物。相比之下，现有技术通常需要额外的步骤来除去不需要的副产物，增加了制造这些分子的成本。阿诺德说:“我正在和几家化学公司讨论我们工作的潜在应用。这些化合物很难合成，因此清洁的生物路线来生产这些化合物是非常有吸引力的。
未来的研究可以探索有机硅化合物对生物体能力的利弊。阿诺德说:“通过将这种能力赋予一个有机体，我们可能会发现，在自然界中，我们不会意外地发现这种能力存在或不存在的原因。这项研究由美国国家科学基金会、加州理工学院创新计划和加州理工学院雅各布分子工程医学研究所资助。
这份报告是由美国国家航空航天局天体生物学项目赞助的在线出版物《天体生物学》提供的。关注Space@Spacedotcom，脸书和Google+。这篇文章发表在《太空》上。