Як зробити кремнієве життя, Наука та життя
Бактеріальний білок навчили з'єднувати вуглець із кремнієм.
Земне життя часто називають вуглецевим. Особливі хімічні властивості вуглецю дозволяють робити з нього довгі молекулярні ланцюги, у тому числі розгалужені, а якщо ми подивимося на молекули білків, нуклеїнових кислот і ліпідів, то саме такі ланцюги і побачимо - переважно вуглецеві, хоча і за участю інших атомів.
Але вуглець такий не один - на нього дуже схожий кремній, якого до того ж у земній корі в 150 разів більше, ніж вуглецю (кремній взагалі один із найпоширеніших елементів у Всесвіті). Більше того, хоча життя на Землі і пішло вуглецевим шляхом, деякі живі організми кремнієм не нехтують: він потрібен рослинам як фактор родючості (у рослинних клітинах можна навіть знайти фітоліти - мікроскопічні частинки діоксиду кремнію SiO2), а діатомові водорості той же діоксид кремнію використовують для будівництва захисного панцира.
Однак у біомолекул кремнію немає. Хіміки, звичайно, давно навчилися синтезувати вуглецево-кремнієві молекули – такі кремнійорганічні сполуки можна знайти у фармацевтиці, серед барвників, ущільнювачів, гербіцидів тощо. Але, повторимо, живі організми не мають ферментів, які могли б маніпулювати кремнієвими сполуками.
І ось співробітникам Каліфорнійського технологічного інституту такий фермент зробити вдалося. Френсіс Арнольд (Francis H. Arnold) та її колеги використовували еволюційний підхід, тобто спочатку вони з усього різноманіття білків знайшли такі, які в принципі могли б працювати з кремнієм, після чого почали вносити в ці молекули більше. менш випадкові мутації. Через мутації в білку змінювалася послідовність амінокислот, а отже, змінювалися властивості всієї білкової.молекули, зокрема і її схильність працювати з тим чи іншим хімічним субстратом. Після кожної мутації білки перевіряли щодо того, як вони ставляться до кремнію.
В експерименті спочатку «брали участь» не абсолютно всі ферменти, які можна знайти в живій природі, а ті, що містять хімічну групу під назвою гем. Найвідоміший гем-білок, що містить, - гемоглобін, який переносить кисень. Але є також чимало білків, які використовують гем до виконання хімічних реакцій: у гемі укладено атом заліза, і саме завдяки залізу, яке у гемі легко приймає і віддає електрони, маніпуляції з хімічними зв'язками стають дуже простіше з фізико-хімічної погляду.
Важливу роль білки з гемом грають у дихальному ланцюзі мітохондрій. Нагадаємо, що суть дихального ланцюга в тому, щоб окислити якусь органічну молекулу, а отриману в результаті енергію укласти в зручній для клітини формі; окислення відбувається досить складно і за участю відразу кілька білків, серед яких левову частину роботи виконують гем-содержащіе цитохроми.
В результаті штучної еволюції, яка мала зробити білкові молекули здатними працювати з кремнієм, вперед вирвався білок під назвою цитохром з бактеріїRhodothermus marinus. У статті вScienceговориться, що цьому цитохрому вистачило зовсім небагато мутацій, щоб за допомогою гему та заліза в ньому навчитися створювати хімічні зв'язки між вуглецем та кремнієм; причому ефективність його виявилася в п'ятнадцять разів вищою, ніж у найкращого методу хімічного синтезу, що використовується з тією ж метою. Модифікований цитохром із синтезував двадцять різних вуглецево-кремнієвих сполук, дев'ятнадцять з яких хіміки досі могли уявити хіба що в теорії.
Але все це цитохром проробляв, так би мовити, у пробірці, а ось що про справжню клітину? Коли ген такого білка ввели в ДНК кишкової палички, виявилося, що в ній цитохром працює так само, як і в реакційній суміші: у клітинах кишкової палички з'явилися вуглецево-кремнієві сполуки. Якщо врахувати, що для нових функцій білку знадобилося не дуже багато мутацій, то можна уявити, що одного дня земні бактерії навчаться-таки використовувати кремній, і тоді кремнієве (або кремнійорганічне) життя, яке фантасти та астробіологи шукають на інших планетах, розквітне просто у нас під боком.
З іншого боку, кремнієве життя все-таки досі чомусь на Землі не розцвіло, хоча кремнію тут більш ніж достатньо. Передбачається, що так сталося тому, що кремній, при всій своїй схожості з вуглецем, все-таки не має такої, як у вуглецю, пластичності у формуванні хімічних зв'язків з іншими елементами, так що потенційна різноманітність кремнійорганічних біомолекул виявляється не таким вже й великим.