Los científicos han empujado con éxito una cepa de bacterias para crear enlaces carbono-silicio por primera vez. Dicha investigación ayudará a desarrollar nuestra comprensión de la vida basada en el silicio que no aparece en la Tierra pero podría hacerlo en otros planetas.
El cuarzo, o cristal de roca, el segundo mineral más abundante en la corteza terrestre, es una mezcla de (principalmente) silicio y oxígeno. El primer mineral más abundante, el feldespato, también contiene (principalmente) silicio.
Créditos de la imagen Stefan Schweihofer.
Puede que no lo pienses mucho, pero el silicio es realmente muy común aquí en la buena Tierra, es el segundo elemento más común en la corteza de nuestros planetas después del oxígeno. Alrededor de las nueve décimas partes de las rocas de la corteza contienen silicio en forma de sílice u otros silicatos. El procesador que le permite leer ZME Science también contiene silicona en los paneles de vidrio de sus ventanas. Es tan ubicuo en la composición química de nuestros planetas que un geólogo puede decirle qué volcanes explotarán y cuáles simplemente fluirán en erupción, simplemente observando la cantidad de silicio que contiene su magma. Sentado a un paso del carbono en la tabla periódica, el silicio comparte la mayoría de las propiedades que hacen que el carbono sea ideal para uso orgánico.
Lo que hace que el siguiente punto sea mucho más curioso: la vida tal como la conocemos simplemente no es tan grande en el uso de silicio. Aparece aquí y allá, en los tejidos de ciertas plantas o en las conchas de algunos organismos marinos, pero sorprendentemente poco en general. En cambio, los terrícolas prefieren mucho más el carbono.
La investigación del Instituto de Tecnología de California, sin embargo, puede volver a colocar el elemento en el menú de biología. El equipo convenció con éxito a E.coli para que produjera una proteína que puede formar enlaces carbono-silicio (C-Si). Su trabajo arroja más luz sobre por qué este último elemento parece ser rechazado por la vida terrestre y dónde podemos encontrar organismos que no sientan lo mismo.
Contras tontos
El equipo comenzó diseñando una cepa de la bacteria E. coli para producir una proteína que normalmente se encuentra en las bacterias de las fuentes termales islandesas y que puede unir el silicio al carbono. Cuando el equipo utilizó por primera vez su cepa diseñada para producir la proteína en cuestión, el compuesto demostró ser muy ineficiente. Sin embargo, iteraciones sucesivas y mutaciones naturales dieron como resultado una enzima que podía forjar moléculas de silicio orgánico unas 15 veces más eficientemente que cualquier proceso químico que el equipo pudiera aplicar con el mismo objetivo. Usando esta molécula, el equipo produjo veinte compuestos orgánicos de C-Si, todos los cuales demostraron ser estables.
Entonces, con este paso, habían demostrado que la vida puede incorporar silicio, solo que no quiere hacerlo en particular.
Podrías argumentar, Dios mío, es tan fácil para un sistema biológico hacerlo, ¿cómo sabes que no se está haciendo ahí fuera? dice la coautora Frances Arnold. Realmente no lo sabemos, pero es muy poco probable.
Arnold se estaba refiriendo a otros planetas en este contexto, pero el punto que está tratando de hacer también se puede aplicar a la Tierra. ¿Sabemos sin lugar a dudas que no hay vida de silicio en la Tierra? Bueno no. Pero tenemos motivos razonables para suponer que no lo hay.
El problema aquí es un problema de disponibilidad. El silicio es mucho más común en la Tierra que el carbono, pero el acceso a prácticamente todo es extremadamente costoso para la vida. El silicio prevalece tanto en la corteza porque es un gran abanico de oxígeno y se unirá a cualquier átomo disponible del gas para formar rocas. Todos los compuestos de silicio con los que el equipo alimentó a sus bacterias para hacer estos nuevos compuestos fueron hechos por el hombre y la vida no tendría ninguna posibilidad de encontrarlos en la naturaleza.
El carbono, por otro lado, es muy estable químicamente. Su relativa falta de interés en conectarse con el oxígeno es especialmente útil para la vida, ya que puede usar el átomo para crear moléculas enormes sin mucho riesgo de que se oxiden y se rompan. También permite que el carbono exista en estado puro (grafito, por ejemplo) en la naturaleza, mientras que el silicio no puede. Esta es una distinción muy importante, ya que en la economía molecular, esto significa que el carbono se puede adquirir a un precio mucho, mucho más bajo (gasto de energía). que el silicio. Finalmente, cuando quemas carbón, obtienes un gas que luego puede ser reutilizado por la vida; el silicio carece de esta ventaja.
Pero puede ser bastante brillante, como muestran estas piezas ópticas de silicio.
Créditos de imagen Crystaltechno / Wikimedia.
Finalmente, la vida basada en el silicio no podría utilizar el agua como lo hace la vida basada en el carbono; los dos simplemente no tienen química. En su lugar, tendría que sustituirlo por otro líquido, como el metano, pero tampoco es estable en condiciones normales en la Tierra.
Al final, el meollo del asunto no es que el silicio no pueda ser una base para la vida, es solo que, en la Tierra, el carbono puede hacer el trabajo mucho más fácilmente, con mayor eficiencia y a un costo menor. El trabajo aquí es la vida.
Sin embargo, eso no quiere decir que los enlaces silicio-carbono no sean útiles. Producimos dichos compuestos en el laboratorio todo el tiempo y los usamos en productos que van desde la electrónica hasta los productos farmacéuticos. El equipo espera que sus bacterias puedan ayudar a producir estas sustancias mucho más rápido, mucho más barato y con una menor huella ambiental. También podría abrir el camino a materiales completamente nuevos.
Una enzima puede hacer lo que los químicos pensaban que solo ellos podían hacer, dice Arnold. El enlace químico podría aparecer en miles y miles de moléculas diferentes, algunas de las cuales podrían ser útiles,
Son todas entidades químicas completamente nuevas que están fácilmente disponibles ahora con solo pedirles a las bacterias que las fabriquen.
Vida tonta
Más allá de las consideraciones prácticas inmediatas, la investigación también plantea la pregunta: ¿es factible la vida del silicio en la Tierra? Los resultados mostraron, como mínimo, que el silicio no es dañino para la vida tal como la conocemos. Quizás, si la vida tuviera fácil acceso al elemento, lo incorporaría más en sus estructuras y procesos, a pesar de sus limitaciones.
Y eso invita a preguntarse si se puede hacer que la vida incorpore elementos que nunca antes la hemos visto usar.
¿Qué pasa cuando incorporas otros elementos? —pregunta Arnoldo. ¿Puede la naturaleza hacer eso?
Presumiblemente, podríamos hacer componentes de la vida que incorporen silicio, tal vez grasa de silicio o proteínas que contengan silicio, y preguntarnos, ¿qué hace la vida con eso? ¿Está la célula ciega a si hay carbono o silicio? ¿La célula simplemente lo escupe? ¿Se lo come la célula? ¿Proporciona nuevas funciones que la vida no tenía antes?
Me gustaría ver qué fracción de las cosas que los químicos han descubierto podemos enseñarle a hacer a la naturaleza. Entonces realmente podríamos reemplazar las fábricas de productos químicos con bacterias.
Una solución especialmente adecuada para las limitaciones del silicio en nuestra Tierra es trasladar el contexto a otro planeta. Cualquier amante experimentado de la ciencia ficción, y con orgullo me cuento entre ellos, se ha topado con la idea de extraterrestres basados en silicio al menos una vez. Por ahora, la parte de la vida extraterrestre permanece en el dominio de la fantasía, pero la química detrás de esa idea está firmemente alojada en el dominio de la ciencia. Por ejemplo, Titán, la luna más grande de Saturno, tiene una temperatura promedio fría de -179 Celsius (-290 Fahrenheit), muy poco oxígeno (que está encerrado en hielo de agua) y una gran cantidad de ríos y lagos de metano.
[Leer más] Sí, eso es extraño, pero el clima se vuelve aún más extraño en otros planetas, incluso con la simple lluvia.
En este contexto, el silicio sería mucho más adecuado como base bioquímica para la vida que el carbono. Sin embargo, en lo que quizás sea una pizca de ironía cósmica, Titán tiene mucho carbono (incluso más que la Tierra), pero muy poco silicio y la mayor parte está enterrado en lo profundo, cerca del núcleo de la luna. Pero demuestra que hay mundos donde el silicio es el camino a seguir, no el carbono. En general, nuestras posibilidades de encontrar vida basada en silicio, o vida que incorpore silicio, son bastante escasas. Y eso, nuevamente, se reduce al hecho de que el carbono es el más estable de todos. En el gran esquema de las cosas, puede haber vida de silicio, pero probablemente será bastante raro.
Aún así, por ahora, la investigación de los enlaces C-Si podría marcar el comienzo de un nuevo método para producir de forma económica lo que, hoy en día, son compuestos relativamente caros. Y los compuestos orgánicos de silicio podrían tener usos muy valiosos en medicina y otras aplicaciones. Entonces, mientras buscamos y suspiramos por la vida basada en el silicio en el universo, podemos ganar mucho al estudiarla en la Tierra.
El artículo Evolución dirigida del citocromo c para la formación de enlaces de carbonosilicio: Dando vida al silicio se ha publicado en la revista Science .
"