科幻小说长期以来一直在想象由硅基生命居住的外星世界，比如《星际迷航》系列的食岩部落。现在，科学家们首次证明，自然界可以进化为将硅结合到碳基分子中，碳基分子是地球上生命的基石。
关于这些发现可能对遥远世界的外星化学产生的影响，帕萨迪纳加州理工学院的化学工程师弗朗西斯·阿诺德说：“我的感觉是，如果一个人能诱使生命在硅和碳之间建立联系，自然也能做到。”。科学家们最近在《科学》杂志上详细介绍了他们的发现。
碳是所有已知生物分子的骨架。地球上的生命是以碳为基础的，可能是因为每个碳原子可以同时与多达四个其他原子形成键。这种性质使得碳非常适合形成我们所知的作为生命基础的长链分子，如蛋白质和DNA。[图片中的火星生命探索]
研究人员长期以来一直推测，外星生命可能具有与地球生命完全不同的化学基础。例如，外星人可能依赖氨或甲烷，而不是依赖水作为生物分子运行的溶剂。而不是依靠碳来创造生命分子，也许外星人可以使用硅。
碳和硅在化学上非常相似，因为硅原子也可以同时与多达四个其他原子形成键。此外，硅是宇宙中最常见的元素之一。例如，硅几乎占地壳质量的30%，其含量大约是地壳中碳含量的150倍，
科学家早就知道地球上的生命能够通过化学手段操控硅。例如，被称为植硅体的二氧化硅微粒可以在禾草和其他植物中发现，被称为硅藻的光合藻类在其骨骼中包含二氧化硅。然而，地球上还没有已知的生命将硅和碳结合成分子的自然实例。
仍然是化学家人工合成的由硅和碳组成的分子。这些有机硅化合物广泛存在于各种产品中，包括药品、密封剂、填缝料、粘合剂、油漆、除草剂、杀菌剂以及电脑和电视屏幕。现在，科学家们发现了一种将碳和硅化学结合在一起的方法。阿诺德说：
“我们想看看我们是否可以利用生物学已经做的事情来扩展到自然界尚未探索的全新的化学领域。”。[关于硅的事实]
研究人员通过一种被称为“定向进化”的策略引导微生物创造出自然界中从未见过的分子，这种策略是阿诺德在20世纪90年代初首创的。正如农民长期以来通过培育一代又一代的有机体来改良农作物和牲畜，以获得他们想要的性状一样科学家培育微生物来制造他们想要的分子。多年来，科学家们一直使用定向进化策略来制造家用清洁剂等产品，并开发出制造药品、燃料和其他工业产品的环保方法。（传统的化学制造过程可能需要有毒的化学物质，相反，定向进化策略使用活的生物体创造摩尔。
Arnold和她的团队-合成有机化学家Jennifer Kan，生物工程师Russell Lewis，化学家Kai Chen-专注于酶，一种催化或加速化学反应的蛋白质。他们的目标是创造能够产生有机硅化合物的酶。
“我的实验室利用进化来设计新的酶，”阿诺德说没有人真正知道如何设计它们-它们非常复杂。但我们正在学习如何利用进化来制造新的生物，就像自然界一样。
首先，研究人员开始怀疑，从原理上讲，可以通过化学方法操纵硅的酶。接下来，他们以或多或少的随机方式对这些蛋白质的DNA蓝图进行了突变，并对由此产生的酶进行了所需特性的测试。表现最好的酶再次发生变异，这个过程不断重复，直到科学家们达到他们想要的结果。
阿诺德和她的同事们从称为血红素蛋白的酶开始，这些酶的心脏都有铁，能够催化多种反应。最被广泛认可的血红素蛋白很可能是血红蛋白，一种帮助血液携带氧气的红 *** 素。
在测试了多种血红素蛋白后，科学家们集中研究了一种来自冰岛温泉的细菌——马力诺红热菌的血红素蛋白。所讨论的血红素蛋白，被称为细胞色素c，通常会将电子传递给微生物中的其他蛋白质，但阿诺德和她的同事发现，在分析细胞色素c的结构后，它也能产生低水平的有机硅化合物。
，研究人员怀疑只有少数突变可能会大大增强这种酶的催化活性。事实上，只有三轮的突变就足以将这种蛋白质转化为一种催化剂，这种催化剂可以产生比目前最好的合成技术效率高15倍以上的碳硅键。阿诺德说，这种突变酶至少能产生20种不同的有机硅化合物，其中19种是新发现的。目前还不清楚人们能为这些新化合物找到什么样的应用。阿诺德说：
“这项工作最大的惊喜是，从生物学中获得新功能是多么容易，在自然界中，新功能可能从未被选中，对人类仍然有用。”生物界似乎总是准备创新。
除了表明突变酶可以在试管中自我生成有机硅化合物外，科学家还表明，通过基因工程产生突变酶的大肠杆菌也可以在自身内生成有机硅化合物。阿诺德说，这一结果提出了微生物在某处自然进化产生这些分子的能力的可能性。“KdSPE”“KDSPs”存在于生命存在的可能性的宇宙中，我们已经表明，生命是一种非常容易的可能性，正如我们所知道的那样，在有机分子中包括硅。一旦你能在宇宙中的某个地方做到这一点，就很可能做到了。”[在我们的太阳系寻找外星生命的最佳地点]
当硅在地壳中更为普遍时，为什么地球上的生命是以碳为基础的仍然是一个悬而未决的问题。先前的研究表明，与碳相比，硅可以与较少种类的原子形成化学键，并且它经常与它可以相互作用的原子形成较少复杂种类的分子结构。通过赋予生命创造有机硅化合物的能力，未来的研究可以测试为什么这里或其他地方的生命可能已经进化成或可能还没有进化成将硅结合到生物分子中。
除了天体生物学的含义外，研究人员指出，他们的研究表明，生物过程可以产生更为环保的有机硅化合物，并且比现有的合成这些物质的方法便宜得多。分子。例如，目前用于制造有机硅化合物的技术通常需要贵金属和有毒溶剂。“KDSPE”“KDSPs”突变酶也减少了不需要的副产物。相比之下，现有技术通常需要额外的步骤来去除不希望的副产品，增加制造这些分子的成本。“KDSPE”“KDSPs”“我现在正在和几家化学公司谈论我们的工作的潜在应用，”阿诺德说。这些化合物很难合成，因此，一条清洁的生物路线来生产这些化合物是非常有吸引力的。
未来的研究可以探索有机硅化合物的能力对生物体可能有哪些优缺点。”阿诺德说：“把这种能力赋予一个有机体，我们可能会发现，在自然界中，我们不偶然发现这种能力的原因是存在的还是不存在的。这项研究是由美国国家科学基金会、加州理工学院创新计划资助的，以及加州理工学院雅各布分子工程医学研究所。
这篇报道是由美国宇航局天体生物学计划赞助的网络出版物《天体生物学》杂志提供的。关注Space@Spacedotcom、Facebook和Google+。文章发表在太空中