科幻小說長期以來壹直在想象由矽基生命居住的外星世界，比如《星際迷航》系列的食巖部落。現在，科學家們首次證明，自然界可以進化為將矽結合到碳基分子中，碳基分子是地球上生命的基石。
關於這些發現可能對遙遠世界的外星化學產生的影響，帕薩迪納加州理工學院的化學工程師弗朗西斯·阿諾德說：“我的感覺是，如果壹個人能誘使生命在矽和碳之間建立聯系，自然也能做到。”。科學家們最近在《科學》雜誌上詳細介紹了他們的發現。
碳是所有已知生物分子的骨架。地球上的生命是以碳為基礎的，可能是因為每個碳原子可以同時與多達四個其他原子形成鍵。這種性質使得碳非常適合形成我們所知的作為生命基礎的長鏈分子，如蛋白質和DNA。[圖片中的火星生命探索]
研究人員長期以來壹直推測，外星生命可能具有與地球生命完全不同的化學基礎。例如，外星人可能依賴氨或甲烷，而不是依賴水作為生物分子運行的溶劑。而不是依靠碳來創造生命分子，也許外星人可以使用矽。
碳和矽在化學上非常相似，因為矽原子也可以同時與多達四個其他原子形成鍵。此外，矽是宇宙中最常見的元素之壹。例如，矽幾乎占地殼質量的30%，其含量大約是地殼中碳含量的150倍，
科學家早就知道地球上的生命能夠通過化學手段操控矽。例如，被稱為植矽體的二氧化矽微粒可以在禾草和其他植物中發現，被稱為矽藻的光合藻類在其骨骼中包含二氧化矽。然而，地球上還沒有已知的生命將矽和碳結合成分子的自然實例。
仍然是化學家人工合成的由矽和碳組成的分子。這些有機矽化合物廣泛存在於各種產品中，包括藥品、密封劑、填縫料、粘合劑、油漆、除草劑、殺菌劑以及電腦和電視屏幕。現在，科學家們發現了壹種將碳和矽化學結合在壹起的方法。阿諾德說：
“我們想看看我們是否可以利用生物學已經做的事情來擴展到自然界尚未探索的全新的化學領域。”。[關於矽的事實]
研究人員通過壹種被稱為“定向進化”的策略引導微生物創造出自然界中從未見過的分子，這種策略是阿諾德在20世紀90年代初首創的。正如農民長期以來通過培育壹代又壹代的有機體來改良農作物和牲畜，以獲得他們想要的性狀壹樣科學家培育微生物來制造他們想要的分子。多年來，科學家們壹直使用定向進化策略來制造家用清潔劑等產品，並開發出制造藥品、燃料和其他工業產品的環保方法。（傳統的化學制造過程可能需要有毒的化學物質，相反，定向進化策略使用活的生物體創造摩爾。
Arnold和她的團隊-合成有機化學家Jennifer Kan，生物工程師Russell Lewis，化學家Kai Chen-專註於酶，壹種催化或加速化學反應的蛋白質。他們的目標是創造能夠產生有機矽化合物的酶。
“我的實驗室利用進化來設計新的酶，”阿諾德說沒有人真正知道如何設計它們-它們非常復雜。但我們正在學習如何利用進化來制造新的生物，就像自然界壹樣。
首先，研究人員開始懷疑，從原理上講，可以通過化學方法操縱矽的酶。接下來，他們以或多或少的隨機方式對這些蛋白質的DNA藍圖進行了突變，並對由此產生的酶進行了所需特性的測試。表現最好的酶再次發生變異，這個過程不斷重復，直到科學家們達到他們想要的結果。
阿諾德和她的同事們從稱為血紅素蛋白的酶開始，這些酶的心臟都有鐵，能夠催化多種反應。最被廣泛認可的血紅素蛋白很可能是血紅蛋白，壹種幫助血液攜帶氧氣的紅 *** 素。
在測試了多種血紅素蛋白後，科學家們集中研究了壹種來自冰島溫泉的細菌——馬力諾紅熱菌的血紅素蛋白。所討論的血紅素蛋白，被稱為細胞色素c，通常會將電子傳遞給微生物中的其他蛋白質，但阿諾德和她的同事發現，在分析細胞色素c的結構後，它也能產生低水平的有機矽化合物。
，研究人員懷疑只有少數突變可能會大大增強這種酶的催化活性。事實上，只有三輪的突變就足以將這種蛋白質轉化為壹種催化劑，這種催化劑可以產生比目前最好的合成技術效率高15倍以上的碳矽鍵。阿諾德說，這種突變酶至少能產生20種不同的有機矽化合物，其中19種是新發現的。目前還不清楚人們能為這些新化合物找到什麽樣的應用。阿諾德說：
“這項工作最大的驚喜是，從生物學中獲得新功能是多麽容易，在自然界中，新功能可能從未被選中，對人類仍然有用。”生物界似乎總是準備創新。
除了表明突變酶可以在試管中自我生成有機矽化合物外，科學家還表明，通過基因工程產生突變酶的大腸桿菌也可以在自身內生成有機矽化合物。阿諾德說，這壹結果提出了微生物在某處自然進化產生這些分子的能力的可能性。“KdSPE”“KDSPs”存在於生命存在的可能性的宇宙中，我們已經表明，生命是壹種非常容易的可能性，正如我們所知道的那樣，在有機分子中包括矽。壹旦妳能在宇宙中的某個地方做到這壹點，就很可能做到了。”[在我們的太陽系尋找外星生命的最佳地點]
當矽在地殼中更為普遍時，為什麽地球上的生命是以碳為基礎的仍然是壹個懸而未決的問題。先前的研究表明，與碳相比，矽可以與較少種類的原子形成化學鍵，並且它經常與它可以相互作用的原子形成較少復雜種類的分子結構。通過賦予生命創造有機矽化合物的能力，未來的研究可以測試為什麽這裏或其他地方的生命可能已經進化成或可能還沒有進化成將矽結合到生物分子中。
除了天體生物學的含義外，研究人員指出，他們的研究表明，生物過程可以產生更為環保的有機矽化合物，並且比現有的合成這些物質的方法便宜得多。分子。例如，目前用於制造有機矽化合物的技術通常需要貴金屬和有毒溶劑。“KDSPE”“KDSPs”突變酶也減少了不需要的副產物。相比之下，現有技術通常需要額外的步驟來去除不希望的副產品，增加制造這些分子的成本。“KDSPE”“KDSPs”“我現在正在和幾家化學公司談論我們的工作的潛在應用，”阿諾德說。這些化合物很難合成，因此，壹條清潔的生物路線來生產這些化合物是非常有吸引力的。
未來的研究可以探索有機矽化合物的能力對生物體可能有哪些優缺點。”阿諾德說：“把這種能力賦予壹個有機體，我們可能會發現，在自然界中，我們不偶然發現這種能力的原因是存在的還是不存在的。這項研究是由美國國家科學基金會、加州理工學院創新計劃資助的，以及加州理工學院雅各布分子工程醫學研究所。
這篇報道是由美國宇航局天體生物學計劃贊助的網絡出版物《天體生物學》雜誌提供的。關註Space@Spacedotcom、Facebook和Google+。文章發表在太空中