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战略前沿技术mp 2016-12-01 00:19

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阿西莫夫的硅基生命终将出现? 加州理工首次通过生物酶合成硅-碳键

编者按:】长久以来,其他形式(非碳基)的生命都为各大科幻作家所津津乐道。大家乐此不疲的想象出各种可能的生命形态并赋予他们神奇的力量。

加州理工学院的研究团队的最新研究证明生物体(细菌)能够合成有机硅化合物。虽然这不能证明硅基生命的存在,但却表明了生物体能够将硅并入其基本组分(碳)中。

科幻大咖艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov,如上图)就曾在他的作品《并非我们所知的:论生命的化学形式》(”Not As We Know It-The Chemistry of Life”)中,提出了六种可能的生命形式:

1. 以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物;

2. 以硫为介质的氟化硫生物;

3. 以水为介质的核酸/蛋白质生物;

4. 以氨为介质的核酸/蛋白质生物;

5. 以甲烷为介质的类脂化合物生物;

6. 以氢为介质的类脂化合物生物。

这六种对于生命的猜想是结合了物质分子结构、运行速度,依据温度的不同,从炽热到接近绝对零度依次序列的。

我们可以看到,在这六个猜想中,只有第三种生命形态——以水为介质的核酸/蛋白质生物——是为我们所知的。而这其中的第一种生命形态则是科学家们最乐为臆测的硅基生命。不过,更令各路科幻家科学家惊喜的是,他们的这些猜测也许就要成真了。

轨硅基生命到底是什么样子?一种全新的蛋白质可能为我们揭开谜底

加州理工学院(Caltech)的最新研究首次证明了生物体也能够合成硅-碳键(silicon-carbon)。在此之前,硅-碳键只能通过化学方法合成。

加州理工的研究者们利用定向进化(directed evolution)的方法对细菌蛋白质进行基因突变“培育”,选出最优蛋白作为酶催化合成硅-碳键,该重大发现将应用于制药业、半导体等多个行业。

11月24日,该研究结果发表于顶级期刊《Science》,首席研究员弗朗西斯?阿诺德(Frances Arnold)表示,原本只有化学家才能做到的事情,现在自然界的细菌也能做到了,并且效率更高!

毫无疑问,具有硅-碳键或有机硅的化合物应用广泛,包括制药业以及许多其它产品中,包括农用药剂、油漆、半导体以及计算机和电视屏幕等。然而,这些产品目前都是通过化学合成制造的,因为在自然界尚未发现硅-碳键。

新的研究表明,通过生物学能够以更环保、更便宜的方式制造这些硅-碳键。该研究首次证明:自然界也能适应并将硅元素吸收纳入作为生命基石的碳基分子。长久以来,科学家一直想弄清楚,地球生命是否可以进化为基于硅元素,而不是基于碳元素。

20世纪60年代电视剧《星际迷航:原初》(“Star Trek:Original“)中的外星硅基生命Horta。Horta是一个高智商硅基物种,他们可以像人类穿过空气一般,在岩石中来去自如。剧集中,Horta与人类的冲突在于,人类矿工的采伐对Horta的卵造成了威胁。当未出世的孩子处于危险之中时,母性的Horta选择了攻击这些造成威胁的人类。

碳和硅在化学结构上非常相似,都可以同时与其他四个原子成键,这使得它们非常适于形成生命体中的分子长链,如蛋白质和DNA。

“每一个硅原子链接四个氧原子,因而你须将他们想象成这些氧原子每个都和它上面的和下面的硅原子相链接,同时,它也和周围的硅原子相链接。这样就构成一个三维立体的网络结构,因而它是非常稳定的。”--《并非我们所认识的:论生命的化学形式》

加州理工学院的研究者解释如何通过自然界生物创造硅-碳键

阿诺德团队的博士后、论文的第一作者詹妮弗·坎(Jennifer Kan)表示:“就目前所知,没有任何活的生物体能够将硅和碳元素成键在一起,即便硅元素是如此地丰富(地壳第二丰富的元素),岩石和海滩上随处可见。”

在剧集《神秘博士》(Doctor Who)中也多次出现过硅基地外生命。如Katrians(图左),形态类人,可从任意含有其基因的碎片中复活,因而极难被杀死;Ogri(图右),智力较低,行动缓慢,可吞噬其他蛋白质生命以获取该生命的外形。

20世纪90年代初,阿诺德开创了一种称为定向进化(directed evolution)的方法,在实验室中通过人为淘汰创造性能更好的新型酶,类似于育种者选培精良玉米、奶牛或宠物的方式。

谈及定向进化过程,科学家们需要首先选取想要增强其性能的目标酶;然后以随机的方式对编码该酶的DNA引入突变,并测试所得酶的性能;接着,对性能最好的酶再次突变、筛选,不断重复该过程,直到获得远远优于原始酶的性能。

多年来,定向进化方法已经用于制造许多家用产品如洗涤剂,还用来以“绿色”可持续的方式制造农用药剂和燃料等。

然而,该研究的目标不仅仅是提高酶的生物学功能,实际上还要让酶做一些以前没有做过的事情。首先,研究者需要找到合适的蛋白质:一种有可能制造出硅-碳键的酶。

阿诺德说:“这就像是培育赛马,伯乐们鉴别出千里马的潜力股,然后在连续几代的培育中优育出千里马,而我们也是这样,只不过是用蛋白质来进行做。”

海洋红嗜热盐菌(Rhodothermus marinus)的细胞色素c蛋白结构,结构中心是铁原子(红色)。研究者在粉红色区域的氨基酸中引入突变,以改善该蛋白质的碳-硅成键能力。

研究证明,冰岛温泉中生长的海洋红嗜热盐菌(Rhodothermus marinus)的细胞色素c蛋白质是最佳选择。该蛋白质通常用于将电子传递到其他蛋白质,但研究者发现,细胞色素c蛋白也能像酶一样催化合成少量的硅-碳键。

所以,科学家利用定向进化的方法,对编码该蛋白结构含铁部分的特定区域的DNA分子进行了突变和筛选。研究者认为,该部分与其硅-碳键的成键活性有关。通过不断突变、测试、筛选,使其创造有机硅化合物的能力增强。

研究表明,仅在三轮定向进化后,研究者就创造出一种酶,能够选择性地合成硅-碳键,并且效率比化学家发明的最佳催化剂高15倍。此外,由于酶具有高度选择性,这意味着相比于化学方法,该新型生物学方法减少了不必要的副产物。

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