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Trazendo Silício para a Vida

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Cientistas induzem a natureza para fazer ligações de silício-carbono
ligações de silício-carbono

O novo estudo é o primeiro a mostrar que os organismos vivos podem ser persuadidos a fazer ligações de silício-carbono - algo que só os químicos tinham feito antes. Cientistas da Caltech "criaram" uma proteína bacteriana para ter a capacidade de fazer as ligações feitas pelo homem, um achado que tem aplicações em várias indústrias.

Moléculas com silício-carbono, ou organosilício, compostos são encontrados em produtos farmacêuticos, bem como em muitos outros produtos, incluindo produtos químicos agrícolas, tintas, semicondutores, e telas de computador e TV. Actualmente, estes produtos são fabricados sinteticamente, uma vez que as ligações silício-carbono não são encontradas na natureza.

A nova pesquisa, que recentemente ganhou Dow Sustentabilidade Inovação Student Award Challenge (SISCA) do Caltech grande prêmio , demonstra que a biologia pode em vez disso ser usado para fabricar esses títulos em maneiras que são mais respeitadores do ambiente e potencialmente muito menos caro.

"Nós decidimos fazer com que a natureza fizesse o que apenas os químicos poderiam fazer - só melhor", diz Frances Arnold , Dick e Barbara Dickinson, de Caltech, Professor de Engenharia Química, Bioengenharia e Bioquímica e investigadora principal da nova pesquisa, publicada em 24 de novembro Edição da revista Science .

O estudo também é o primeiro a mostrar que a natureza pode se adaptar para incorporar o silício em moléculas baseadas em carbono, os blocos de construção da vida. Os cientistas há muito se perguntam se a vida na Terra poderia ter evoluído para se basear em silício em vez de carbono. Os autores de ficção científica também imaginaram mundos alienígenas com a vida baseada em silício, como as criaturas Horta grumosas retratadas em um episódio da série de TV dos anos 60 Star Trek . Carbono e silício são quimicamente muito semelhantes. Ambos podem formar ligações a quatro átomos simultaneamente, tornando-os bem adaptados para formar as longas cadeias de moléculas encontradas na vida, como proteínas e DNA.

"Nenhum organismo vivo é conhecido por colocar as ligações de silício e carbono juntos, embora o silício seja tão abundante, ao nosso redor, em rochas e em toda a praia", diz Jennifer Kan, pesquisadora do laboratório de Arnold e principal autora do novo estude. O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre.

Os pesquisadores usaram um método chamado evolução direta, iniciado por Arnold no início dos anos 90, no qual novas e melhores enzimas são criadas em laboratórios por seleção artificial, semelhante à maneira como os criadores modificam milho, vacas ou gatos. As enzimas são uma classe de proteínas que catalisam ou facilitam reações químicas. O processo de evolução dirigida começa com uma enzima que os cientistas querem melhorar. O ADN que codifica a enzima é mutado de forma mais ou menos aleatória, e as enzimas resultantes são testadas para uma característica desejada. A enzima de alto desempenho é então mutada novamente, eo processo é repetido até que uma enzima que realiza muito melhor do que o original é criada.

A evolução dirigida tem sido utilizada há anos para fazer enzimas para produtos domésticos, como detergentes; E por rotas sustentáveis ??"verdes" para a fabricação de produtos farmacêuticos, produtos químicos agrícolas e combustíveis.

No novo estudo, o objetivo não era apenas para melhorar a função biológica de uma enzima, mas para realmente persuadi-lo a fazer algo que não tinha feito antes. O primeiro passo dos pesquisadores foi encontrar um candidato adequado, uma enzima mostrando potencial para fazer as ligações silício-carbono.

"É como criar um cavalo de corrida", diz Arnold, que também é diretor do Centro de Bioengenharia Donna e Benjamin M. Rosen da Caltech. "Um bom criador reconhece a habilidade inerente de um cavalo para se tornar um piloto e tem que trazer isso para fora em gerações sucessivas. Nós apenas fazemos com proteínas."

O candidato ideal acabou por ser uma proteína de uma bactéria que cresce em fontes termais na Islândia. Essa proteína, chamada citocromo c , normalmente transporta elétrons para outras proteínas, mas os pesquisadores descobriram que também acontece de agir como uma enzima para criar ligações de silício-carbono em níveis baixos. Os cientistas então mutavam o DNA codificando para aquela proteína dentro de uma região que especifica uma porção que contém ferro da proteína que se pensa ser responsável por sua atividade formadora de ligações silício-carbono. Em seguida, eles testaram estas enzimas mutantes para a sua capacidade de fazer compostos de organossilício melhor do que o original.

Depois de apenas três rodadas, eles criaram uma enzima que pode seletivamente fazer ligações de silício-carbono 15 vezes mais eficiente do que o melhor catalisador inventado por químicos. Além disso, a enzima é altamente selectiva, o que significa que faz menos subprodutos indesejados que têm de ser quimicamente separados.

"Este catalisador geneticamente codificado a base de ferro é não tóxico, mais barato e mais fácil de modificar em comparação com outros catalisadores utilizados na síntese química", diz Kan. "A nova reação também pode ser feita à temperatura ambiente e na água".

O processo sintético para fazer ligações de silício-carbono geralmente usa metais preciosos e solventes tóxicos e requer processamento extra para remover subprodutos indesejáveis, todos os quais aumentam o custo de produção desses compostos.

Quanto à questão de saber se a vida pode evoluir para usar silício por conta própria, Arnold diz que é até a natureza. "Este estudo mostra quão rapidamente a natureza pode se adaptar a novos desafios", diz ela. "A máquina catalítica codificada por DNA da célula pode rapidamente aprender a promover novas reações químicas quando fornecemos novos reagentes eo incentivo apropriado na forma de seleção artificial. A natureza poderia ter feito isso sozinha se quisesse".

O jornal Science , intitulado "Dirigido Evolução do Citocromo c para Carbono-Silicon Bond Formação: Trazendo Silício para a Vida", é também de autoria de Russell Lewis e Kai Chen da Caltech. A pesquisa é financiada pela Fundação Nacional da Ciência, o programa Iniciativa de Inovação Caltech e o Instituto Jacobs de Engenharia Molecular para Medicina da Caltech.




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