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，如果壹個人能誘導生命在矽和碳之間建立聯系，那麽大自然也能做到這壹點。.科學家們最近在《科學》雜誌上詳細介紹了他們的研究成果。
碳是所有已知生物分子的骨架。地球上的生命以碳為基礎，這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結合。這壹特性使碳非常適合形成我們所熟知的長鏈分子，如蛋白質和DNA，它們是生命的基礎。
研究人員長期以來壹直假設，外星生命可能具有與地球生命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。或許外星人可以使用矽，而不是依靠碳來創造生命分子。
碳和矽的化學性質非常相似，因為矽原子也可以同時與多達四個其他原子形成鍵合。此外，矽還是宇宙中最常見的元素之壹。例如，矽幾乎占地殼質量的 30%，其含量是地殼中碳含量的 150 倍。
科學家們早就知道，地球上的生命能夠對矽進行化學處理。例如，在草和其他植物中可以發現被稱為植物矽酸鹽的二氧化矽顆粒，被稱為矽藻的光合藻類的骨骼中也含有二氧化矽。然而，地球上還沒有已知的自然生物將矽和碳結合成分子的例子。
不過，化學家們還是合成了由矽和碳組成的分子。這些矽化合物廣泛存在於各種產品中，包括藥品、密封劑、填縫劑、粘合劑、油漆、除草劑、殺菌劑以及電腦和電視屏幕。現在，科學家們發現了壹種將碳和矽進行化學結合的方法。阿諾德說：
"我們想看看能否利用生物學已經在做的事情，拓展到自然界尚未探索到的全新化學領域"。.[關於矽的事實】
研究人員通過壹種被稱為 "定向進化 "的策略，引導微生物創造出自然界中從未見過的分子。長期以來，農民們通過培育壹代又壹代的生物來改良作物和牲畜，以獲得他們想要的特性，科學家們也通過培育微生物來制造他們想要的分子。多年來，科學家們利用定向進化策略制造出了家用清潔劑等產品，並開發出了制造藥品、燃料和其他工業產品的環保方法。(傳統的化學制造過程可能需要有毒的化學物質，而定向進化策略則利用生物來制造 "鼴鼠"）。
阿諾德和她的團隊--有機合成化學家詹妮弗-簡（Jennifer Kan）、生物工程師羅素-劉易斯（Russell Lewis）和化學家陳凱--重點研究酶，即催化或加速化學反應的蛋白質。他們的目標是創造出能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制造新的生物，就像在自然界中壹樣。
首先，研究人員開始懷疑，原則上，用化學方法操縱矽中的酶是可能的。接下來，他們或多或少地隨機突變了這些蛋白質的DNA藍圖，並測試了由此產生的酶的理想特性。表現最好的酶被再次突變，這個過程壹直重復進行，直到科學家們獲得他們想要的結果。
阿諾德和她的同事們從被稱為血紅素蛋白的酶入手，血紅素蛋白的核心是鐵，可以催化各種反應。最廣為人知的血紅素蛋白可能是血紅蛋白，它是壹種幫助血液攜帶氧氣的紅***色素。
在測試了多種血紅蛋白後，科學家們把重點放在了壹種來自冰島溫泉的細菌--Erysipelothrix marinus的血紅蛋白上。這種被稱為細胞色素 c 的血紅蛋白通常將電子傳遞給微生物中的其他蛋白質，但阿諾德和她的同事在分析了細胞色素 c 的結構後發現，它也會產生低濃度的有機矽化合物。
研究人員懷疑，只有少數幾個突變就可能大大提高這種酶的催化活性。事實上，只需三輪突變就足以把這種蛋白質轉變成壹種催化劑，它產生碳-矽鍵的效率是目前最佳合成技術的15倍以上。阿諾德說，這種突變酶至少能產生20種不同的有機矽化合物，其中19種是新發現的。目前還不清楚這些新化合物的應用領域。阿諾德說：
"這項工作最大的驚喜是，從生物學中獲得新的功能是多麽容易，而這些功能在自然界中可能從未被選擇過，但對人類仍然有用。生物學似乎時刻準備著創新。
除了證明突變酶可以在試管中自我產生有機矽化合物之外，科學家們還證明，經過基因工程改造以產生突變酶的大腸桿菌也可以在自身內部產生有機矽化合物。阿諾德說，這些結果提出了壹種可能性，即微生物在某壹階段自然進化出了產生這些分子的能力。"KdSPE""KDSPs "存在於壹個有可能存在生命的宇宙中，我們已經證明，生命是壹種非常容易存在的可能性，正如我們所知，包括矽在內的有機分子。壹旦妳能在宇宙中的某個地方做到這壹點，那就非常有可能。"[在太陽系中尋找外星生命的最佳地點】
雖然矽在地殼中更為普遍，但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。以前的研究表明，矽能與比碳更少的原子形成化學鍵，而且它能與之相互作用的原子形成的分子結構往往不那麽復雜。通過賦予生命創造有機矽化合物的能力，未來的研究可以檢驗為什麽這裏或其他地方的生命可能已經或可能還沒有進化出把矽納入生物分子的能力。
除了對天體生物學的影響之外，研究人員還指出，他們的研究表明，生物過程可以生產出比現有合成這些物質的方法更環保、更便宜的有機矽化合物。分子。例如，目前用於制造有機矽化合物的技術通常需要貴金屬和有毒溶劑。KDSPE""KDSPs "突變酶還能減少不需要的副產品。相比之下，現有技術通常需要額外的步驟來去除不需要的副產品，從而增加了制造這些分子的成本。"阿諾德說："KDSPE""KDSPs""我正在與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，因此通過清潔的生物途徑來生產它們非常有吸引力。
未來的研究可以探索有機矽化合物的能力對生物體有哪些優缺點。阿諾德說："如果把這種能力賦予生物體，我們可能會發現，我們之所以沒有在自然界中發現這種能力，是因為它存在或不存在。這項研究得到了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醫學分子工程研究所的資助。
本新聞由《天體生物學》（Astrobiology）雜誌提供，該雜誌是由美國國家航空航天局天體生物學計劃贊助的網絡出版物。請關註 Space@Spacedotcom、Facebook 和 Google+。文章發表於 Space