NeoFronteras

Bacterias que emplean organosiliconas

Área: Biología — sábado, 26 de noviembre de 2016

Unas bacterias modificadas consiguen usar compuestos con enlaces carbono-silicio.

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Ilustración artística de un hipotético animal extraterrestre basado en organosiliconas. Fuente: Lei Chen y Yan Liang (BeautyOfScience.com) para el Caltech.

Las columnas de la tabla periódica de los elementos nos dan los elementos que se comportan químicamente de manera similar. Así, por ejemplo, el litio, el sodio y el potasio son muy parecidos, lo que dificulta su separación del resto.

La vida tal y como la conocemos es química muy organizada. Los seres vivos han usado ciertos elementos en concreto para realizar sus reacciones químicas o sintetizar las moléculas que los forman. Veamos unos ejemplos.

Las bacterias púrpuras del azufre realizan la fotosíntesis para descomponer el sulfuro de hidrógeno (H2S) y usar ese hidrogeno el dióxido de carbono para sintetizar azúcares. Es algo muy similar a lo que realizan el resto de seres fotosintéticos terrestres cuando usan agua (H2O). Aquí la vida se las ha apañado para emplear de la misma manera dos elementos que están en la misma columna de la tabla periódica: el oxígeno y el azufre.

La compatibilidad con la vida de los elementos no elegidos por la misma no siempre es buena para los organismos. Nuestro ADN, los fosfolípidos de la membrana celular o el ATP, que es la “moneda” de energía de nuestras células, usan fósforo. El arsénico está en la misma columna de la tabla periódica, pero interfiere de tal modo con la bioquímica normal que se convierte en un veneno. De algún modo, durante la abiogénesis primordial, se eligió el fósforo frente al arsénico, pero se puede pensar que otros tipos de vida extraterrestre puedan usar arsénico y que el fósforo sea un veneno.

Pero se lleva la palma en cuanto a la especulación la hipotética vida extraterrestre basada en el silicio, pues el silicio tiene cuatro valencias igual que el carbono, pues están en la misma columna. También se ha especulado que quizás la vida terrestre se iniciara o fuera ayudada por el silicio.

Pero una vida que sustituya todo el carbono por el silicio no parece muy realista. En lugar de usar el dióxido de carbono (CO2) en la fotosíntesis, tendría que usar cuarzo (SiO2). Pero ese no sería el peor de lo problemas, la bioquímica del silicio no es tan rica, flexible, sencilla y versátil como la del carbono. Básicamente, el silicio parece formar unos enlaces que son más fuertes que los del carbono, lo que da a sus compuestos demasiada estabilidad. Así que se puede descartar tal tipo de vida. Pero, ¿y si en lugar de sólo carbono se emplea principalmente carbono, pero también silicio? Este caso parece más plausible y quizás se dé en otros planetas.

Es curioso que la vida terrestre haya elegido usar elementos como el hierro en la hemoglobina o el magnesio en la clorofila y que el silicio no se haya usado bajo ninguna circunstancia, salvo en la cubierta de sílice de las diatomeas. Nunca se ha empleado, que se sepa, el enlace Si-C, pese a que el silicio es el elemento más abundante de la corteza terrestre. Aunque quizás también se ensayó esta posibilidad sobre la Tierra en el pasado y finalmente la vida eligió el carbono en exclusiva.

Ahora un grupo de investigadores ha podido demostrar que la vida terrestre puede manejar a nivel bioquímico el enlace entre carbono y silicio. El experimento se ha realizado con bacterias vivas Escherichia coli modificadas a las que se les ha alimentado con compuestos de silicio. Para que pudieran hacer esto se les modificó el gen que codifica una enzima para que esta pudiera catalizar más eficientemente este tipo de reacciones en las que está involucrado el enlace entre el carbono y el silicio.

El descubrimiento nos dice que el uso del enlace Si-C es más fácil de lo que se creía, lo que podría ayudar a contestar la pregunta de por qué la vida eligió en exclusiva usar sólo enlaces entre carbono y no silicio-carbono.

Frances Arnold (California Institute of Technology, Pasadena) quería poner a prueba si las enzimas de la vida terrestre podrían manejar enlaces Si-C. Ella y sus colaboradores exploraron una base de datos de proteínas para buscar enzimas candidatas que pudieran manejar ese tipo de enlace. Entre unas pocas docenas prometedoras se fijaron en una enzima (citocromo c) producida por una bacteria extremófila (Rhodothermus marinus) que vive en aguas termales de Islandia. Sintetizaron el gen correspondiente y lo insertaron en bacterias E. coli.

Descubrieron que, efectivamente, estas bacterias conseguían catalizar reacciones en las que estaba involucrado el enlace Si-C si se les administraba los productos adecuados que contenía silicio. Las bacterias naturales R. marinus no realizan esto.

Aunque las E. coli tampoco eran muy eficientes en esta tarea, así que estos investigadores introdujeron mutaciones sobre el gen de esta enzima en la parte que regula la región activa de la enzima. Es esa parte la que contiene hierro y era la que creían que controlaba el enlace Si-C.

Entonces fueron seleccionando las más eficientes y mutándolas. En unas pocas generaciones, las bacterias así modificadas y seleccionadas terminaron siendo muy efectivas a la hora de manejar este tipo de reacciones de tal modo que ganaban a los catalizadores artificiales en la tarea, en concreto eran 15 veces más efectivas.

Es el primer estudio que muestra que la naturaleza puede adaptarse hasta incorporar silicio en su bioquímica. Indudablemente se trata de un precioso trabajo que combina buena química con evolución directa guiada para producir algo que no existía sobre la Tierra. El hallazgo podría ayudar a comprender cuestiones básicas sobre la evolución de la vida en la Tierra, en particular por qué no se eligió al silicio como parte de los elementos que emplea. Este grupo de investigadores ya estudia cuáles son los costes y beneficios de incorporar silicio a la maquinaria bioquímica.

Además, este hallazgo podría ayudar desarrollar nuevos productos farmacéuticos y nuevos catalizadores, entre otras aplicaciones industriales. Muchas industrias, incluidas las relacionadas con la agricultura, pegamentos o pinturas emplean organosiliconas. Estos productos son sintetizados artificialmente. Si, de algún modo, se pudiera enseñar a las bacterias a hacerlo, se podrían ahorrar costes. Entre otras cosas pueden realizar esta tarea a temperatura ambiente y en agua. Esta enzima basada en hierro no es tóxica y es más barata y más sencilla de modificar que los caros catalizadores basados en metales preciosos usados en los contaminantes procesos de la síntesis química.

Indudablemente, hay resultados que nos acercan de golpe a la Ciencia-Ficción.

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Fuentes y referencias:
Artículo original

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4 Comentarios

  1. apalankator:

    No tardará mucho hasta que mediante biotecnología se consigan estos procesos y muchos más, con un costo energético e impacto ambiental ridículo respecto a lo que tenemos ahora.

  2. JavierL:

    Es muy buena idea la aplicaciones industriales. La técnica es tan sencilla en su planteamiento que seguro será muy aplicada.

    Ahora referente a la vida en silicio me llamó la atención aquello de “En lugar de usar el dióxido de carbono (CO2) en la fotosíntesis, tendría que usar cuarzo (SiO2).” No lo había pensado

    Ahora imaginar plantas posadas sólo donde haya depósitos de cuarzo puede darnos una idea de porque ganaría la competencia la vida en carbono, el CO2 tiene más versatilidad a la hora de regar la vida por todo el planeta. Nada más por eso ganaría cualquier competencia. Tanto en vegetación como en vida animal que se nutre de esa vegetación.

  3. Tomás:

    Aparte de lo novedoso, fecundo y bienvenido de ese enlace C-Si, la ilustración se me hace extraña. Parece una ballena -por comparación con las piedras que se ven- con quizá seis patas que se atreve a salir del agua, posiblemente para comer alguna yerba con mucho Si, lo que no concuerda con su tremendo peso. No entiendo la razón del artista para imaginar ese animal salvo, quizá por el alimento; pero eso ya lo tenía antes de derivar hacia “ballena”.

  4. Armand:

    Seria divertido pensar en vida basada en C-Ge, C-Sn, o en C-Pb. También tienen valencia química 4: Pt, Ir, Mn, Ha, Zr. Y no metales como: S, Se, Te, y N. Pero, cuanta proporción de C y cuanta proporción de otros elementos tetravalentes harían posible la formación de bioquímica o compuestos órgano metálicos aptos para formar, materia animada?

    Podría haber vida basada en boro o en sus derivados B-Al, B-Ga, B- In, B-Tl, B-Zn, B-Cd, B-Hg, B-Cu, también?

    Y de compuestos trivalentes con otros monovalentes, como: Li-Sc, Dy-Ag, o Au-Tl?

    Hay otros elementos trivalentes, como Dy, Ha, Pm, Nd, Er, Fe, Co, Ni, Su, Tm, que podrían combinarse con elementos monovalentes. Mientras que el Pd, Pt, CE, Tb, y Ti, tienen valencia 4, como el carbono.

    En que se diferenciaría una vida basada una vida basada en elementos diferentes a la del carbono, de una basada en carbono? Ya me imagino un humanoide de color marrón rojizo, como el Cu (color cocacola a la luz, Politus, o Colacao), blanco ceruleo, grisáceo como el Si, verde oliváceo claro, (o verde-marron), amarillo dorado, plateado, azulado como algunos metales…

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