關於這些發現對遙遠世界的外星化學可能產生的影響，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，如果壹個人可以誘導生命在矽和碳之間建立聯系，他自然可以做到。”。科學家們最近在《科學》雜誌上詳述了他們的發現。
碳是所有已知生物分子的骨架。地球上的生命以碳為基礎，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。這種特性使得碳非常適合形成長鏈分子，我們知道長鏈分子是生命的基礎，如蛋白質和DNA。[圖中探索火星生命]
研究人員長期以來壹直猜測，外星生命可能與地球上的生命有著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水作為生物分子運行的溶劑。也許外星人可以使用矽，而不是依靠碳來創造生命分子。
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，矽幾乎占地殼的30%，其含量約為地殼中碳的150倍。
科學家們早就知道地球上的生命可以通過化學手段操縱矽。例如，在草和其他植物中可以發現被稱為植物矽酸體的二氧化矽顆粒，被稱為矽藻的光合藻類在其骨骼中含有二氧化矽。然而，地球上沒有已知的生命將矽和碳結合成分子的自然例子。
它還是化學家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，包括藥物、密封劑、填縫材料、粘合劑、油漆、除草劑、殺真菌劑以及計算機和電視屏幕。現在，科學家發現了壹種化學結合碳和矽的方法。阿諾德說:
“我們想看看我們是否可以利用生物學已經取得的成就，擴展到自然界尚未探索的化學新領域。”。[關於矽的事實]
研究人員使用了壹種稱為“定向進化”的策略來引導微生物創造出自然界中從未見過的分子。這壹策略是由阿諾德在20世紀90年代初提出的。正如農民長期以來通過培養壹代又壹代的生物來獲得他們想要的特性來改善作物和牲畜壹樣，科學家培養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洗滌劑和其他產品，並開發了環境友好的方法來制造藥物、燃料和其他工業產品。傳統的化學制造過程可能需要有毒的化學物質。相反，定向進化策略利用活的有機體來創造鼴鼠。
阿諾德和她的團隊——合成有機化學家詹妮弗·坎、生物工程師羅素·劉易斯和化學家程凱——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。但是我們正在學習如何利用進化來創造新的生物，就像大自然壹樣。
首先，研究人員開始懷疑，原則上，矽酶可以被化學操縱。接下來，他們以或多或少隨機的方式突變了這些蛋白質的DNA藍圖，並測試了由此產生的酶所需的特性。表現最好的酶再次發生突變，這個過程壹直重復，直到科學家獲得他們想要的結果。
阿諾德和她的同事們從壹種名為血紅素蛋白的酶開始，血紅素蛋白的心臟中有鐵，可以催化許多反應。最廣泛認可的血紅素蛋白可能是血紅蛋白，壹種幫助血液攜氧的紅色色素。
在測試了多種血紅素蛋白後，科學家們將註意力集中在冰島溫泉中壹種細菌的血紅素蛋白上——紅熱病馬裏諾。問題中的血紅素蛋白質被稱為細胞色素C，通常會將電子轉移到微生物中的其他蛋白質，但阿諾德和她的同事在分析細胞色素C的結構後發現，它也可以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，只需要三輪突變就足以將這種蛋白質轉化為催化劑，可以產生碳矽鍵，效率比目前最好的合成技術高出15倍。阿諾德說，這種突變酶可以產生至少20種不同的有機矽化合物，其中19是新發現的。尚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，新的功能可能永遠不會被選擇，仍然對人類有用。”生物界似乎總是樂於創新。
除了在試管中展示突變酶可以自我生成有機矽化合物，科學家還展示了通過基因工程產生突變酶的大腸桿菌也可以在自身生成有機矽化合物。阿諾德說，這壹結果提高了微生物在某處自然進化產生這些分子的可能性。“KDSP”和“KDSP”存在於宇宙中的生命的可能性。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，包括有機分子中的矽。壹旦妳能在宇宙中的某個地方做到這壹點，妳可能就會做到。“[太陽系中尋找外星生命的最佳地點]
當矽在地殼中更加普遍時，為什麽地球上的生命是以碳為基礎的，這仍然是壹個懸而未決的問題。先前的研究表明，與碳相比，矽可以與更少種類的原子形成化學鍵，並且它常常與它可以相互作用的原子形成不太復雜的分子結構。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會或可能不會進化到將矽與生物分子結合。
除了天體生物學的意義，研究人員指出，他們的研究表明，生物過程可以產生更環保的有機矽化合物，而且它們比現有的合成這些物質的方法便宜得多。分子例如，目前制造有機矽化合物的技術通常需要貴金屬和有毒溶劑。“kdspe”和“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除去不需要的副產物，增加了制造這些分子的成本。阿諾德說:“我正在和幾家化學公司討論我們工作的潛在應用。這些化合物很難合成，因此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對生物體能力的利弊。阿諾德說:“通過將這種能力賦予壹個有機體，我們可能會發現，在自然界中，我們不會意外地發現這種能力存在或不存在的原因。這項研究由美國國家科學基金會、加州理工學院創新計劃和加州理工學院雅各布分子工程醫學研究所資助。
這份報告是由美國國家航空航天局天體生物學項目贊助的在線出版物《天體生物學》提供的。關註Space@Spacedotcom，臉書和Google+。這篇文章發表在《太空》上。