پیوند سیلیسیوم و کربن برای اولین بار در سلولهای زنده

با القاء آنزیم اصلاح شده موجود در باکتری پیوندهایی ایجاد می شود که تکامل از آنها روی‌گردان است.
آنزیمی که موجب پیوند بین سیلیسیوم و کربن می شود، در باکتریی یافت شده است که در چشمه های آب گرم ایسلند ازجمله چشمه معروف بلو لاگون زندگی می کند.
سیلیسیوم در اطراف ما وجود دارد، و پس از اکسیژن فراوان ترین عنصر در پوسته زمین به شمار می آید. بنابراین از دیرباز معما بوده است که چرا موجودات زنده هرگز آن را در زیست‌شیمی خود جای نداده اند.
اکنون مهندسین شیمی کشف کرده اند که می توان پیوند بین کربن و سیلیسیوم را به موجودات زنده القاء کرد. آنها نشان دادند که با تغذیه سلولهای باکتری اسکریچیا کولی (Escherichia coli) توسط ترکیبات مناسب حاوی سیلیسیوم، یک آنزیم طبیعی موجود در این باکتری ساکن چشمه های آب گرم می تواند موجب تشکیل پیوندهای C-Si در داخل سلولهای زنده شود، و پژوهشگران با مهندسی این آنزیم یک کاتالیزور زیستی تهیه کردند که نسبت به کاتالیزور مصنوعی واکنش را کاراتر انجام می دهد.
این یافته به شیمی دان ها در تهیه داروها و کاتالیزورهای صنعتی جدید، و شاید توضیح علت روی گردانی تقریباً کامل تکامل از سیلیسیوم، کمک می کند.
آیا جایی برای سیلیسیوم وجود دارد؟
طبیعت در زیست شیمی از چند فلز رایج بهره می گیرد که موارد قابل توجه عبارتند از آهن در سلولهای قرمز خون و منیزیم در کلروفیل. اما سیلیسیوم، عنصری که ویژگی های فلزات و غیرفلزات هر دو را با هم دارد، ظاهراً فقط در ترکیبات غیرآلی زیستی مانند ترکیبات موجود در پوسته های سیلیکونی آغازیان جلبکی تک سلولی وجود دارد، و هرگز به زنجیره های کربنی زندگی آلی راه نمی یابد.
به گفته رونالد هافمن، شیمی دان برنده جایزه نوبل در دانشگاه کورنل ایتاکا در نیویورک، سیلیسیوم بینوا در کره زمین به وفور یافت می شود، اما زیست کره در پیوند تکاملی شگفت انگیز خود از آن روی‌گردان است.
پژوهشگران آموخته اند که برای پیوند بین کربن و سیلیسیوم از کاتالیزورهای مصنوعی استفاده کنند، اما فرانسیس آرنولد، مهندس شیمی در موسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا، آزمایش کردکه آیا با ایجاد این فرصت برای برخی از آنزیم های زیستی، آنها می توانند این کار را انجام دهند یا خیر.
وی و همکارانش با جست‌وجو در پایگاه‌های داده مربوط به پروتئین‌ها، چند آنزیم احتمالی را کشف کرده و پس از غربال‌گری، بر یک آنزیم موجود در یک باکتری اکستروموفیلی (ریزجانداری که در شرایط زیست‌محیطی بسیار دشوار زندگی می‌کند) ساکن عمق چشمه‌های آب گرم ایسلند، به‌نام رودوترموس مارینوس (Rhodothermus marinus)، متمرکز شدند. آنها ژن مربوط به این پروتئین را ساخته و در باکتری‌های ای کولی (E. coli) جاگذاری کردند.
حدس آنها صحیح بود: این آنزیم درصورت تغذیه با پیش‌ماده‌های مناسب حاوی سیلیسیوم می‌تواند موجب پیوند سیلیسیوم-کربن شود؛ این ماده معمولاً این کار را انجام نمی‌دهد، چون باکتری‌ها به‌طور طبیعی ترکیبات حاوی سیلیسیوم را تولید نمی‌کنند. به‌گفته آرنولد، نکته جالب‌توجه این است که طبیعت درحضور این ماده غذایی مصنوعی و جدید آماده است تا کلیه امور طبیعی را انجام دهد.
افزایش بهره‌وری
باکتری‌های ای کولی (E. coli) هنوز هم در تولید ترکیبات آلی سیلیسیوم کارایی زیادی ندارند. بنابراین، این تیم با آغاز جهش‌هایی در ناحیه فعال آنزیم، باکتری‌هایی را انتخاب کردند که نسبت به بهسازی واکنش نشان ‌دادند، و برای افزایش بهره‌وری چند نسل‌ کافی بود. نتایج 24 نوامبر در مجله ساینس منتشر می‌شوند.
به‌گفته هافمن، "آزمایش گروه آرنولد با ترکیب شیمی سودمند و تکامل جهت‌یافته، آنزیم‌هایی را به‌وجود می‌آورد که به روش‌های بسیار خاصی موجب پیوند کربن-سیلیسیوم می‌شوند. "کار ممتازی که شیمی نوین را خلق می‌کند." ‌
آرنولد تکنیک تکامل جهت‌یافته را در دهه 1990 مطرح ساخت، و این شیوه اکنون در کاربردهای بیشماری، از اصلاح مواد شوینده لباسشویی تا ساخت داور، به‌کار می‌رود. وی برای این کار امسال جایزه یک میلیون یورویی فناوری هزاره (معادل 1/1 میلیون دلار آمریکا) را به خود اختصاص داد.
به‌گفته یژاک اپلویگ، متخصص شیمی آلی در موسسه فناوری تکنیون اسرائیل در حیفا، "این کار فرصت‌های کاملاً جدیدی را در زمینه پژوهش داروسازی ارائه داده و موجب کشف داروهای جدیدی می‌شود."
آرنولد اظهار می‌دارد، این یافته‌ها همچنین می‌توانند به طرح پرسش‌های اساسی درباره تکامل اولیه حیات، و مخصوصاً این که آیا نادیده گرفتن سیلیسیوم در تکامل اتفاقی است یا خیر، کمک کنند. "می‌توان با بررسی هزینه‌ها و مزایای جای دادن سیلیسیوم در حیات آغاز کرد."