Silisyum Bazlı Hayat Olasılığı Artıyor

Pasadena'daki California Institute of Technology'de bir kimya mühendisi olan Frances Arnold, bu bulguların uzak dünyalardaki "uzaylı kimyası" araştırmalarına olabilecek etkileri konusunda, "Bir insan, silisyum ve karbon arasında bağ kurmak için yaşamı koordine edebilirse, doğa da bunu yapabilir" dedi. Bilim insanları, bu çalışmalarını yakın zamanda Science dergisinde detaylandırdı.

Sanatçılar tarafından organosilikon temelli yaşam sunumu için hazırlanan görsel. Organosilikon bileşikleri karbon-silikon bağları içerirler. Frances Arnold laboratuvarında yapılan son araştırmalar, ilk kez bakterilerin organosilikon bileşikleri oluşturabildiğini gösteriyor. Bu silikon ya da organosilikon temelli ömrün mümkün olmadığını kanıtlamasa da, yaşamın temel bileşenlerinde silikon içermesi için ikna edilebileceğini gösteriyor. (Kaynak: Credit: Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) for Caltech)

Karbon elementi, bütün bilinen biyolojik moleküllerin temelidir. Bu nedenle dünyadaki yaşam karbona dayalıdır, çünkü karbon atomunun dört farklı atoma kadar eşzamanlı olarak bağ oluşturabilir olması, proteinler ve DNA gibi hayatın temelini oluşturmaya yardım eden uzun zincirli moleküller oluşturmak için tam uyumlu yapar.

Yine de uzun süredir, araştırmacılar uzaylı yaşamının, yeryüzündeki yaşamdan tamamen farklı bir kimyasal temele sahip olma ihtimalini tartışıyorlar. Örneğin, özellikle biyolojik açıdan oldukça önemli bir çözücü olan su yerine, belki de uzaylılar amonyak ya da metanı kullanıyor olabilir. Aynı durum karbon elementi için de geçerli olabilir. Uzaylı yaşamında, bizim için yaşam kaynağı sayılan karbon molekülleri yerine, silisyum molekülleri bulunuyor olabilir.

Silisyum ve karbon atomlarının her biri dört farklı atomla eşzamanlı olarak bağ oluşturması açısından oldukça benzerdir. Buna ek olarak, silisyum yaşadığımız evrende çok bulunan elementlerden bir tanesidir. Örneğin, yerkabuğunun kütlesinin yaklaşık %30’u silisyumdan oluşur ve yerkabuğunda karbondan yaklaşık 150 kat daha bol bulunur.

Yeryüzündeki hayatın içerisinde, silisyumun kimyasal bir rolü olduğu, bilim insanları tarafından uzun zamandır biliniyordu. Örneğin, fitolit adı verilen silisyum dioksit mikroskobik parçacıkları otlarda ve diğer bitkilerde bulunabilir ve diatom olarak bilinen fotosentetik algler, iskeletlerinde silisyum dioksit bulundurur. Ancak karbon ve silisyumun herhangi bir reaksiyon sonucunda bir molekülde birleştiğine dair dünya üzerinde bilinen doğal bir örnek yoktur.

Günümüzde, kimyagerler hem silisyum hem de karbondan oluşan sentetik moleküller sentezliyorlar. Bu organo-silisyum bileşikleri ilaç, dolgu maddesi, yapıştırıcı, boya, herbisitler, bilgisayar ve televizyon ekranları ve fungisitler gibi çok çeşitli malzemelerde bulunmaktadır. Son günlerde, bilim insanları, kimyasal olarak karbonun ve silisyumun birlikte bağ oluşturması için biyolojik bir yolu keşfetmeyi başarmışlardır.

Arnold, “Eğer biyolojinin, kimyanın yeni alanlarına girebilmek için çoktandır geliştirmiş olduğu yöntemi kullanabilseydik, doğanın henüz keşfedilmemiş kısımlarını görebilirdik.”

Araştırmacılar, mikropları 1990’ların başında Arnold’ın öncülük ettiği ‘yönlendirilmiş evrim’ adıyla bilinen bir strateji ile doğada daha önce hiç görülmemiş moleküller üretmek için kullanmışlardır.

Araştırmacılar, 1990'ların başında Arnold'un öncülüğünü yaptığı 'yönlendirilmiş evrim' olarak bilinen bir strateji ile doğada daha önce hiç görülmemiş moleküller yaratmak için mikropları yönlendirdiler. Tıpkı uzunca bir süre zarfında nesiller boyu organizmaları istedikleri gibi değiştirerek ürünlerinin ve hayvanlarının istedikleri verimde olmasını isteyen çiftçiler gibi bilim insanları da istediği molekülleri yaratmak için mikropları yetiştirmişlerdir. Bilim insanları, deterjanlar gibi ev eşyalarını oluşturmak için yıllarca "yönlendirilen evrim stratejilerini" kullandı ve ilaç, yakıt ve diğer endüstriyel ürünleri yapmak için çevre dostu yollar geliştirdi. (Konvansiyonel kimyasal üretim süreçleri zehirli kimyasallara ihtiyaç duyabilir; aksine, yönlendirilmiş evrim stratejileri moleküller oluşturmak için canlı organizmaları kullanır ve genellikle yaşamı zararlı kanıtlayacak kimyayı önler.)

Arnold ve ekibi- sentetik organik kimyager Jennifer Kan, biyomühendis Russell Lewis ve kimyager Kai Chen- kimyasal reaksiyonları hızlandıran ya da katalizleyen proteinler olan enzimlere yoğunlaştılar. Amaçları ise, organo-silisyum bileşikleri üreten enzimler üretmekti.

Arnold, “Benim laboratuvarım yeni enzimler tasarlamak için evrimi kullanır. Hiç kimse gerçekten onları nasıl dizayn edeceğini bilmiyor, çünkü çok fazla karmaşıklar. Fakat tıpkı doğanın yaptığı gibi yeni bir tanesini üretmek için evrimi nasıl kullanacağımızı öğreniyoruz.”

Araştırmacılar, öncelikle teorik olarak silisyum ile reaksiyon vermesinden şüphelendikleri enzimler ile çalışmaya başladılar. Daha sonra rastgele yollarla, protein DNA modelleri mutasyona uğratıldı ve elde edilen enzim istenilen özellikler açısından test edildi. En iyi olan enzimler tekrar mutasyona uğratılmış ve bu aşamalar bilim insanlarının istedikleri özelliklere ulaşılana kadar tekrar edilmiştir.

Arnold ve arkadaşları merkezde demir atomları içeren ve çok çeşitli reaksiyonları katalizleyebilen “hem proteinleri” olarak bilinen enzimler ile çalışmaya başladılar. En yaygın olarak bilinen “hem proteini” kanın oksijen taşımasına yardımcı olan kırmızı pigmenttir - yani  hemoglobin.

Çeşitli hem proteinlerini test ettikten sonra bilim insanları, İzlanda’daki sıcak kaynak suyundan bir bakteri olan Rhodothermus marinus’dan bir hem proteinine yoğunlaştılar. Test edilen hem proteini, Sitokrom-C’dir ve mikrop içerisinde elektronları diğer proteinlere götürüp getirmektedir. Ancak Arnold ve arkadaşları az seviyede organo-silisyum bileşikleri de üretebildiklerini gözlemlemişlerdir.

Sitokrom c'nin yapısını analiz ettikten sonra araştırmacılar, yalnızca birkaç mutasyonun enzimin katalitik aktivitesini büyük oranda artırabileceğinden şüphelendi. Gerçekten de, bu proteini mevcut bulunan en iyi sentetik tekniklerden 15 kat daha fazla karbon-silisyum bağ üretebilecek bir katalizör haline getirmek için yalnızca üç tür mutasyon vardı. Arnold, mutant enzimin en az 20 farklı organo-silisyum bileşiği üretebilir olduğunu, bunların 19'unun bilim için yeni olduğunu ifade etti. İnsanların bu yeni bileşikleri bulabilmek için ne tarz uygulamalarının olduğu konusu henüz çözümlenmiş değil.

Arnold, "Bu çalışma içerisinde en büyük sürpriz yeni biyolojik fonksiyonlar elde etmenin ne kadar kolay olabildiğidir. İnsanlık için yararlı olabilecek bu fonksiyonlar belki de doğal yaşam içerisinde hiç kullanılmamıştır. Biyolojik yaşam daima yenilikler için hazırdır."

Mutant enzimin bir test tüpünde organo-silisyum bileşiklerini kendiliğinden üretebildiğini göstermenin yanı sıra, bilim insanları, genetik olarak kendi içinde mutant enzim üreten E. coli bakterilerinin de organo-silisyum bileşikleri oluşturabileceğini gösterdi. Bu sonuç, mikropların bir yerlerde doğal olarak bu molekülleri yaratma yeteneğini geliştirebileceği ihtimalini arttırır.

Arnold, "Yaşam oluşma ihtimalleri dünyasında bunun kolay bir olasılık olduğunu gösterdik, çünkü silisyumun organik moleküllerde olduğunu biliyoruz ve bir kere dünyanın herhangi bir yerinde bunu yapabiliyorsan daha önce olmuş olması da muhtemeldir." Silisyumun yeryüzünde çok bulunurken neden yeryüzündeki yaşamın karbona dayandığı halen aydınlatılmamış bir soru olarak kalmıştır. Önceki araştırmalar, karbon ile karşılaştırıldığında silisyumun az sayıda atomla bağ oluşturabilir olduğunu ve sık sık silisyumla etkileşen atomlar ile kompleks olmayan moleküler yapılar oluşturur.  Canlılara organo-silisyum bileşikleri üretebilmek için yetenek kazandırmakla beraber gelecek araştırmalar neden burada veya başka bir yerde bu canlıların silisyumu biyolojik moleküllere dahil etmek için gelişip gelişmediğini test edebilir.

Astrobiyoloji uygulamalarına ek olarak, araştırmacılar çalışmalarının organo-silisyum bileşiklerinin sentezlenmesinde var olan metotlardan daha ucuz  ve çevre dostu yollar ile bu bileşikleri üretebilen başka biyolojik prosesler ortaya koymuşlardır. Örneğin bu bileşiklerin üretimi için var olan teknikler, değerli metallere ve zehirli çözücülere ihtiyaç duymaktadır.
Mutant enzimleri ile gerçekleşen proseslerde, istenmeyen yan ürünler oluşumu çok azdır. Buna karşın, var olan tekniklerde istenmeyen yan ürünlerin uzaklaştırılması için ayrıca bir aşama gerekir bu da bu moleküllerin üretim maliyetini arttırır.

Arnold, “Birçok kimya şirketi ile çalışmamız için olası uygulamalar hakkında şu anda konuşuyorum. Bu bileşikleri sentetik olarak elde etmek zordur. Bu yüzden bu bileşikleri üretmek için temiz biyolojik bir yol çok ilgi çekicidir.”

Gelecek çalışmalar belki de organizmaların sahip olduğu organo-silıkon bileşikleri üretme yeteneğinin, avantaj ve dezavantajlarının ne olduğunu bulabilirler. Arnold, "Organizmalara bu kabiliyetin verilmesi ile birlikte bizler belki de eğer varsa ya da yoksa doğal yaşamda neden ona rastlamadığımızın nedenini görebiliriz."

Bu çalışma National Science Foundation, the Caltech Innovation Initiative programı ve The Jacobs Institute for Molecular Engineering for medicine at Caltech tarafından finanse edilmiştir.

Kaynak
http://www.livescience.com/58727-silicon-based-alien-life-possible.html