Začátek nové chemie? Vědci přiměli bakterii, aby vázala křemík

VIDEO - Příroda autor: Jan Toman

Pro autory vědeckofantastické literatury není křemíkový život ničím novým. Ať už se podíváme na slavný Star Trek, nebo nahlédneme do románů a povídek bezpočtu spisovatelů, tvory založenými na tomto prvku se to v nich jen hemží. Proč zrovna křemík? 

Umělecká představa organosilikonového života

Umělecká představa organosilikonového života,zdroj: Lei Chen and Yan Liang/Caltec

Výzkumníci si už v průběhu dvacátého století uvědomili, že na rozdíl od drtivé většiny ostatních prvků křemík vykazuje chemické vlastnosti blízké základní stavební složce pozemského života – uhlíku. Silany, sloučeniny křemíku s vodíkem, a od nich odvozené "organické" látky by se tak jinde ve vesmíru mohly stát obdobou pozemských uhlovodíků založených na spojení vodíku a uhlíku.

Dobře představitelné jsou ovšem i molekuly spojující v řetězcích všechny tři zmíněné prvky. Na Zemi je však nenalezneme. A to i přesto, že křemík tvoří téměř třetinu zemské kůry.

Otázka, proč se křemíku pozemský život tak "štítí", a zda by jej nebylo možné přimět k většímu využívání tohoto zdroje, nedávala spát ani skupině kalifornských vědců. Rozhodli se proto celý fenomén prozkoumat v praxi.

Předem je třeba zmínit, že některé pozemské organismy ve svém životě různé sloučeniny křemíku využívají. Řada prvoků si například vytváří schránky z řetězců oxidu křemičitého podobných opálu. Jako podpůrnou látku jej mohou využívat i některé rostliny a další tvorové. Na rozdíl od uhlíku, který má velmi podobné chemické vlastnosti, ho však nikdy nevyužívají jako základní stavební kámen svých buněk.

Dokonce i vytváření sloučenin uhlíku s křemíkem v laboratoři je překvapivě obtížný úkol. Ani za ideálních podmínek není lehké získat vhodné výchozí látky. Reakce navíc ke svému zdárnému průběhu potřebuje komplexní katalyzátory, založené mimo jiné na vzácných kovech jako je měď, rhodium nebo iridium. Aby toho nebylo málo, zpravidla může probíhat jen ve speciálních halogenových rozpouštědlech a za velmi nízkých teplot. Ani tak ovšem není příliš rychlá.

Nebylo by ale možné využít organické enzymy, sofistikované katalyzátory, které používají pro "popohnání" probíhajících reakcí živé buňky? O řadě z nich je známo, že ovlivňují i průběh reakcí, které s jejich původní funkcí vůbec nesouvisejí. Vytváření uhlíkato-křemíkatých řetězců by s jejich pomocí mohlo být nesrovnatelně jednodušší.

Proteiny založené na hemu, jako je například hemoglobin přenášející v naší krvi kyslík, dokáží do řetězců uhlíku vkládat části molekul oplývající dusíkem nebo sírou. Nemohly by podobné katalyzátory usnadňovat i vkládání molekul s křemíkem?

Úplně nová chemie

První pokusy s fenyldimethylsilanem obsahujícím křemík a ethyl 2-diazopropionátem obsahujícím uhlík ukázaly, že hem opravdu přispívá k vytváření uhlíkato-křemíkatých řetězců. Při dané reakci jich sice vznikalo jen málo, ale bez přítomnosti hemu k jejich vytváření nedocházelo vůbec.

Výzkumníci nabití novým optimismem následně otestovali nejrůznější varianty obdobných proteinů pocházející z různých organismů. Jako nejúčinnější se nakonec ukázala molekula cytochrom c pocházející od bakterie Rhodothermus marinus. Ta má, podobně jako ostatní testované molekuly, v buňce úplně jiný účel; kvůli své struktuře ale náhodou napomáhá i vkládání křemíkatých skupin do řetězců uhlíku.

Požitý cytochrom c navíc vedl k přednostnímu vytváření jen jedné ze dvou zrcadlových forem uhlíkato-křemíkatých sloučenin. Dosáhnout něčeho takového s čistě anorganickými katalyzátory je přitom nesmírně obtížné.

V dalším kroku vědci vytipovali, jaké části velké molekuly cytochromu c by mohly být zodpovědné za jeho katalytickou funkci. Gen pro cytochrom c od Rhodothermus marinus následně vnesli do genomu běžné experimentální bakterie Escherichia coli a nechali ho v úsecích zodpovědných za vytipované části molekuly opakovaně mutovat.

Mutanty, jejichž cytochrom c dokázal zakomponovávat křemík do řetězců uhlíku nejefektivněji, podrobili dalšímu kolu mutací. Za několik generací se vědcům podařilo vyšlechtit protein katalyzující vznik uhlíkato-křemíkatých řetězců až patnáctkrát účinněji než anorganické katalyzátory. Reakce navíc probíhala z nejrůznějších výchozích látek.

Všechny uvedené experimenty se týkaly jen jedné molekuly, cytochromu c, a bakterie vědcům sloužily jen jako "továrny" na jeho výrobu. Nemohla by ale tvorba uhlíkato-křemíkatých reakcí probíhat přímo uvnitř bakteriálních buněk? Vědci bakteriím poskytli výchozí látky a čekali. Po pár hodinách se ukázalo, že uhlíkato-křemíkaté molekuly vznikají jako odpad i uvnitř jejich živých buněk.

Z celého experimentu plyne hned několik poučení. Proteiny využívané v metabolismu pozemských organismů zpravidla fungují jako různě účinné katalyzátory mnoha reakcí, včetně takových, které život normálně nevyužívá. Evoluce nových metabolických drah v počátcích života se tak hned stává o něco představitelnější.

Fakt, že pozemské organismy nevyužívají ve své základní stavbě křemík, ale naznačuje, že za podmínek panujících na naší planetě nejde o výhodnou strategii. To ovšem neznamená, že by schopnost některých biologických látek usnadňovat tvorbu uhlíkato-křemíkatých řetězců nemohl využít člověk. Už dnes se například rýsuje jejich možné využití v medicíně. Někteří vědci proto tvrdí, že podobné experimenty otevírají bránu k úplně novému oboru chemie.

Zdroj: SBJ Kan, RD Lewis, K Chen, FH Arnold (2016): Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to life. Science, 354.

Tagy: chemie biologie zvířata a příroda věda a poznání molekulární biologie biochemie

Zdroje: Vlastní