Un nuevo estudio es el primero en mostrar que los organismos vivos pueden ser persuadidos para hacer enlaces de silicio-carbono, algo que solo los químicos habían hecho antes. Los científicos de Caltech "criaron" una proteína bacteriana para hacer los enlaces hechos por el hombre, un hallazgo quetiene aplicaciones en varias industrias.
Las moléculas con compuestos de silicio-carbono u organosilicio se encuentran en productos farmacéuticos y en muchos otros productos, incluidos productos químicos agrícolas, pinturas, semiconductores y pantallas de computadora y TV. Actualmente, estos productos se fabrican sintéticamente, ya que el silicio-los enlaces de carbono no se encuentran en la naturaleza.
El nuevo estudio demuestra que la biología se puede utilizar para fabricar estos enlaces de manera más ecológica y potencialmente mucho menos costosa.
"Decidimos hacer que la naturaleza haga lo que solo los químicos pueden hacer, solo que mejor", dice Frances Arnold, profesora de ingeniería química, bioingeniería y bioquímica de Caltech, Dick y Barbara Dickinson, e investigadora principal de la nueva investigación, publicada en el24 de noviembre número de la revista ciencia .
El estudio también es el primero en mostrar que la naturaleza puede adaptarse para incorporar silicio en moléculas basadas en carbono, los componentes básicos de la vida. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo si la vida en la Tierra podría haber evolucionado para basarse en silicio en lugar de carbono. CienciaLos autores de ficción también han imaginado mundos alienígenas con vida basada en el silicio, como las gruesas criaturas Horta retratadas en un episodio de la serie de televisión Star Trek de la década de 1960. El carbono y el silicio son químicamente muy similares. Ambos pueden formar enlaces a cuatro átomos simultáneamente, formandobien adaptados para formar las largas cadenas de moléculas que se encuentran en la vida, como las proteínas y el ADN.
"No se sabe que ningún organismo vivo junte enlaces silicio-carbono, a pesar de que el silicio es tan abundante, a nuestro alrededor, en rocas y en toda la playa", dice Jennifer Kan, una investigadora postdoctoral en el laboratorio de Arnold y autora principal deel nuevo estudio. El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre.
Los investigadores utilizaron un método llamado evolución dirigida, iniciado por Arnold a principios de la década de 1990, en el que se crean nuevas y mejores enzimas en los laboratorios mediante selección artificial, similar a la forma en que los criadores modifican el maíz, las vacas o los gatos.clase de proteínas que catalizan o facilitan las reacciones químicas. El proceso de evolución dirigida comienza con una enzima que los científicos desean mejorar. El ADN que codifica la enzima se muta de manera más o menos aleatoria, y las enzimas resultantes se analizanun rasgo deseado. La enzima de mayor rendimiento se vuelve a mutar nuevamente, y el proceso se repite hasta que se crea una enzima que funciona mucho mejor que la original.
La evolución dirigida se ha utilizado durante años para fabricar enzimas para productos domésticos, como detergentes; y para rutas sostenibles "verdes" para fabricar productos farmacéuticos, productos químicos agrícolas y combustibles.
En el nuevo estudio, el objetivo no era solo mejorar la función biológica de una enzima, sino persuadirla para que hiciera algo que no había hecho antes. El primer paso de los investigadores fue encontrar un candidato adecuado, una enzima que mostrara potencial parahaciendo los enlaces silicio-carbono.
"Es como criar un caballo de carreras", dice Arnold, quien también es el director del Centro de Bioingeniería Donna y Benjamin M. Rosen en Caltech. "Un buen criador reconoce la habilidad inherente de un caballo para convertirse en un corredor y tiene que traereso en generaciones sucesivas. Simplemente lo hacemos con proteínas ".
El candidato ideal resultó ser una proteína de una bacteria que crece en aguas termales en Islandia. Esa proteína, llamada citocromo c, normalmente transporta electrones a otras proteínas, pero los investigadores descubrieron que también actúa como una enzima paracrean enlaces de silicio-carbono a niveles bajos. Luego, los científicos mutaron el ADN que codifica esa proteína dentro de una región que especifica una porción de la proteína que contiene hierro que se cree que es responsable de su actividad de formación de enlaces de silicio-carbono.estas enzimas mutantes por su capacidad para hacer compuestos organosilícicos mejores que los originales.
Después de solo tres rondas, habían creado una enzima que puede hacer selectivamente enlaces de silicio-carbono 15 veces más eficientemente que el mejor catalizador inventado por los químicos. Además, la enzima es altamente selectiva, lo que significa que produce menos subproductos no deseados que tienenser químicamente separado
"Este catalizador codificado genéticamente a base de hierro no es tóxico, es más barato y más fácil de modificar en comparación con otros catalizadores utilizados en la síntesis química", dice Kan. "La nueva reacción también se puede hacer a temperatura ambiente y en agua".
El proceso sintético para hacer enlaces silicio-carbono a menudo usa metales preciosos y solventes tóxicos, y requiere un procesamiento adicional para eliminar los subproductos no deseados, todo lo cual se suma al costo de hacer estos compuestos.
En cuanto a la pregunta de si la vida puede evolucionar para usar silicio por sí sola, Arnold dice que eso depende de la naturaleza. "Este estudio muestra qué tan rápido la naturaleza puede adaptarse a los nuevos desafíos", dice ella. "La maquinaria catalítica codificada por el ADNde la célula puede aprender rápidamente a promover nuevas reacciones químicas cuando proporcionamos nuevos reactivos y el incentivo apropiado en forma de selección artificial. La naturaleza podría haberlo hecho ella misma si se hubiera preocupado ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Original escrito por Whitney Clavin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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