硅基生命也许不只存在于科幻作品中,硅和碳首

2019-07-11 03:37栏目:奥门新萄京娱乐场
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原标题:硅基生命也许不只存在于科幻作品中

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艺术家笔下的硅基生命。最近的研究首次证明,细菌可以创造出有机硅化合物。图源:Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) / Caltech。本文经公号(liweitan2014)授权转载,作者: Charles Q. Choi。

据《Nature》杂志网站11月24日报道,美国科学家发现,在一种天然酶的作用下,当活体大肠杆菌细胞被“喂食”合适的含硅化合物时,其内部可形成碳—硅键。这是科学家首次证明有机生物体能让硅碳结合。除有助新药研制外,该研究还有助于解答生物进化过程为何对硅视而不见的问题。

利维坦按:的确,我们似乎没有理由认为生命形式只有一种可能。以目前来看,我们唯一能够确定的是,我们对宇宙的了解实在实在是太少了。地球上已确认的生物物种通常使用含碳有机物的基本构造和进行代谢功能,以水作为溶剂,用DNA或RNA引导生物发育与生命机能运作,但我们无法排除可能有未被发现的生命形式,存在根本不同的基本结构和不同于已知的生物化学形式。这是一个非常有意思的话题,因为这往往意味着即便我们人类去到一个星球,也很可能根本无法识别这个星球上的生命……不过,也有人推测,地球本身可能存在一个影子生物圈,具备我们不知道的生物化学形式。

生物体让很多常见的金属为其所用,如血红蛋白细胞中含有铁,叶绿素中含有镁等。尽管硅是地球上第二丰富的元素,仅次于氧,但硅仅现于生物的无机化合物内,例如单细胞硅藻的氧化硅壳,从未进入有机生命的碳基链内,这一直是个未解之谜。

(Horta)。如今,科学家已然首次证明,自然演化可以将硅元素囊括进碳基分子中——而后者正是构成地球生命的基础。

此前,科学家们已借助人造催化剂,让硅和碳“联姻”,但加州理工大学的弗朗西斯·阿诺德想厘清天然酶是否也能充当让硅碳结合的“红娘”。

(Frances Arnold)说:“我觉得,如果人类可以人为诱导生命朝硅和碳共基的方向发展,那么大自然也能做到这一点。”最近,这群科学家在顶级期刊Science上发表了这些发现的详细情况。(science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aah6219)

阿诺德团队发表在24日出版的《科学》杂志上的论文称,他们对蛋白质数据库进行了全面筛查,并从数十种有潜力的酶中挑出了一个。这种酶源于一类生活在冰岛海底温泉内的嗜极菌——海洋红嗜热盐菌。他们将其插入大肠杆菌内。果不其然,如果添加合适的含硅化合物,这种酶能催化硅—碳键的合成。

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不过,在制造硅有机化合物方面,经过遗传修改的大肠杆菌的效率仍然不是很高,因此,研究团队让这种酶的活性区域发生变异,经过数代进化,新的天然酶效果优于人造催化剂。阿诺德表示,接下来他们打算研究将硅整合入生命的好处和成本。

《星际迷航》中的霍塔(Horta)。图源:Tumblr

诺贝尔化学奖得主、康奈尔大学的罗德·霍夫曼说:“最新研究将化学方法和定向进化结合在一起,制造出的酶形成了碳—硅键,这一美妙研究创造了新化学形式。”

现在已知的所有生物分子的核心都是碳元素。地球上的生命以碳为基础,这很可能是因为,每个碳原子都可以同时和最多4个其他原子形成化学键。这一特性使得碳成为了形成长链分子的完美人选,而在我们的知识体系中,长链分子(比如蛋白质和DNA)正是生命的基石。

以色列理工大学有机化学专家伊扎克·阿佩罗伊格说:“新研究为药物研发领域开辟了新路径,有助于发现和研制出新药。”

尽管如此,研究者们的心头始终存在着这样一个疑问:外星生命是否可能拥有和地球生命完全不同的基础化学构造呢?比如,在他们那儿,水也许不是生物分子发生反应的载体溶剂,他们的载体溶剂或许是氨或者甲烷。又比如,外星生命生物分子的核心也许不是碳,或许是硅。

硅元素是地壳中第二丰富的元素,仅次于第一位的氧。我们都知道,构成生物体的大量元素包括C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、Cl、Fe等,几乎不涉及硅元素。那么,为什么生命体没有将其融入自身呢?这一直是个谜。

奥门新萄京娱乐场 ,碳和硅这两种元素在化学性质上十分相似,比如,硅原子同样可以同时和最多4个其他原子形成化学键。另外,硅是宇宙中最常见的元素之一,举例来说,硅元素几乎占据了地壳质量的30%,这个质量占比大概是碳元素的150倍。

近期,来自于加州理工学院的化学工程师FrancesArnold带领团队却在细胞内首次实现了硅和碳的结合。他们筛选到一种天然酶类,存在于生活在极端环境的细菌体内。这种酶能够在大肠杆菌细胞内表达,并催化培养基中的硅元素与细胞内的碳元素结合。

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为了提高结合效率,研究团队对天然酶进行改造,使其成为全新的生物催化,能够以前所未有的效率完成催化。相关研究成果于11月24日发表在《Science》期刊。

图源:DeviantArt

这一发现能够帮助化学家开发出新的药物和工业催化剂,或许还有望用于解释为什么生命进化几乎完全避开了硅元素。

科学家很早就知道,地球上的生命有能力在化学层面上操控硅元素,比如,我们可以在青草及其他植物中发现植硅体,而植硅体实际上就是一种二氧化硅的微观粒子。又比如,我们知道,有种可以进行光合作用的藻类叫硅藻,它们就可以将二氧化硅吸收进自己的外壳中。不过,目前我们还没有在自然形成的地球生命中,发现由硅和碳共同形成生物分子的例子。

我们知道,一些常见的金属元素参与构成生命体、参与生理过程,例如红细胞中的铁元素、叶绿素中的镁元素。但是,硅元素似乎只以无机化合物的面目存在于细胞中,例如单细胞藻类硅藻表面覆盖的硅质细胞壁,其主要成分是二氧化硅。硅元素从未进入以碳元素为基础的有机生命链中。

但是,化学家还是人工合成了许多同时由硅和碳构成的分子。我们可以在各种产品中发现这些有机硅化合物的身影,其中包括药物、密封剂、粘合剂、油画颜料、除草剂、杀菌剂、计算机以及电视屏幕。如今,科学家又发现了一种可以诱使硅和碳在化学层面上紧密结合在一起的生物学方法。

1981年诺贝尔化学奖获得者之一、康奈尔大学的化学家RoaldHoffmann曾表示:“硅元素是构成地壳结构的主要元素,但是却未在漫漫进化史中融入生物圈。”

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过去,已有科学家找到了利用人工催化剂将碳和硅结合在一起的方法。但是FrancesArnold却试图寻找能够实现碳-硅结合的酶类。

恩斯特·海克尔《自然界的艺术形态》(1904)中的硅藻。图源:维基

Arnold团队通过检索蛋白质数据库,找到了几十个有潜力的酶。经过重重筛选,他们锁定了一种天然酶,它们存在于一种生活在冰岛温泉极端环境中的细菌Rhodothermusmarinus体内。随后,他们合成了酶蛋白,并将其编码基因插入到大肠杆菌中。

研究者通过操控微生物创造了之前在自然界中完全没有出现过的分子,而他们使用的指导思想则是大家知道的“定向演化”策略,这正是阿诺德在20世纪90年初率先研究的课题。农夫们很早就知道,要想获取希望得到的动植物性状,就得抚育一代又一代农作物和牲畜,并在此过程中改良它们的基因。与之类似,科学家们现在就是通过培育微生物的方式创造出他们想要的分子。多年来,科学家已经使用定向演化策略创造出了像清洁剂这样的家用商品,还凭此开发出了制造药品、燃料及其他工业产品的环保方法。(传统的化工生产流程需要用到有害化学物质;相比之下,定向演化策略在创造这些分子的过程中使用的是生物体,通常就避免了那些会对生活产生危害的化工过程。)

一系列试验证实他们的推测是正确的:如果转基因大肠杆菌被培养在含有硅元素的培养基中,这一天然酶能够催化硅-碳结合。正常情况下,这种催化作用并不会启动,因为Rhodothermusmarinus细菌不会生存在含有硅元素的环境中。

(Jennifer Kan)(Russell Lewis)(音译)——把研究重点放在了酶上,而酶是一种可以催化或者加速化学反应的蛋白质。他们的目标是,创造可以产生有机硅化合物的酶。

研究人员发现,重组后的大肠杆菌并不能有效地合成硅-碳化合物。为了提高效率,他们对酶基因进行突变,最终筛选到理想中的酶。而且,改造后的酶的催化效率远远赶超人工催化剂。

“我的实验室使用演化策略设计新型酶,”阿诺德说,“没人知道究竟怎么去设计这种物质——它们真的是太复杂了。但我们正在学习如何使用演化方法制作新型酶,而这正是大自然的工作方式。”

上世纪90年代,Arnold就已经开发了定向进化技术,目前广泛应用于多领域,例如改善洗涤剂、合成化药。她曾因此获得过千禧技术奖。

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Hoffmann评价Arnold团队研究成果时表示:“这项工作开创了新的化学之美。”以色列理工学院技术研究所致力于有机化学研究的YitzhakApeloig认为:“这一最新研究为制药研究开辟了新机遇,有望促进新药物的研发。”

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