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.

Жизненная форма на основе кремниевой органики. Рендер: Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) для Калифорнийского технологического института в Пасадене

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)