실리콘 기반 생명체의 성장 가능성

실리콘 기반의 삶을 예술가가 묘사한 작품입니다. 유기규소 화합물은 탄소-실리콘 결합을 포함합니다. Francis Arnold 실험실의 최근 연구에서는 박테리아가 유기규소 화합물을 생산할 수 있다는 사실이 처음으로 나타났습니다. 이것이 실리콘이나 실리콘 기반 생명체가 가능하다는 것을 증명하는 것은 아니지만 생명체가 실리콘을 기본 구성 요소에 포함하도록 설득될 수 있음을 시사합니다. 레이 첸(Lei Chen)과 얀 리앙(Caltech Science Beauties)

공상 과학 소설에서는 스타트렉(Star Trek) 시리즈의 바위를 먹는 부족처럼 실리콘 기반 생명체가 살고 있는 외계 세계를 오랫동안 상상해 왔습니다. 이제 처음으로 과학자들은 자연이 실리콘을 지구상 생명체의 구성 요소인 탄소 기반 분자에 통합하도록 진화할 수 있음을 보여주었습니다.

이러한 발견이 먼 세계의 외계 화학에 미칠 수 있는 영향에 대해 패서디나에 있는 캘리포니아 공과대학의 화학 엔지니어인 프랜시스 아놀드는 다음과 같이 말했습니다. 실리콘과 탄소 사이는 자연적으로 이루어질 수 있습니다." 과학자들은 최근 사이언스 저널에 자신들의 연구 결과를 자세히 설명했습니다.

탄소는 알려진 모든 생물학적 분자의 중추입니다. 지구상의 생명체는 탄소를 기반으로 합니다. 아마도 각 탄소 원자가 동시에 최대 4개의 다른 원자와 결합을 형성할 수 있기 때문일 것입니다. 이러한 특성으로 인해 탄소는 단백질이나 DNA와 같이 우리가 알고 있는 생명의 기초가 되는 긴 사슬 분자를 형성하는 데 이상적입니다. [사진으로 보는 화성 생명체 탐사]

연구자들은 오랫동안 외계 생명체가 지구 생명체와 완전히 다른 화학적 기반을 갖고 있을 수 있다고 추측해 왔습니다. 예를 들어, 외계인은 생물학적 분자가 작동하는 용매로 물 대신 암모니아나 메탄을 사용할 수 있습니다. 생명 분자를 만들기 위해 탄소에 의존하는 대신, 외계인은 실리콘을 사용할 수도 있습니다.

탄소와 규소는 규소 원자가 동시에 최대 4개의 다른 원자와 결합을 형성할 수 있다는 점에서 화학적으로 매우 유사합니다. 또한 실리콘은 우주에서 가장 흔한 원소 중 하나입니다. 예를 들어, 실리콘은 지각 질량의 거의 30%를 차지하며, 그 함량은 지각에 있는 탄소 양의 약 150배입니다.

과학자들은 지구상의 생명체가 화학적으로 화학적으로 변화할 수 있다는 것을 오랫동안 알고 있었습니다. 실리콘을 조작하다 예를 들어, 식물석이라고 불리는 실리카 입자는 풀과 다른 식물에서 발견될 수 있으며, 규조류라고 불리는 광합성 조류는 골격에 실리카를 포함하고 있습니다. 그러나 실리콘과 탄소를 분자로 결합한 지구상의 생명체에 대한 자연적인 사례는 알려진 바 없습니다.

지금도 화학자들이 인공적으로 합성한 규소와 탄소로 이루어진 분자이다. 이러한 실리콘 화합물은 의약품, 실란트, 코크, 접착제, 페인트, 제초제, 살균제, 컴퓨터 및 TV 화면을 포함한 다양한 제품에서 발견됩니다. 이제 과학자들은 탄소와 실리콘을 화학적으로 결합하는 방법을 발견했습니다. Arnold는 "우리는 생물학이 이미 수행하는 작업을 자연에서 탐구되지 않은 완전히 새로운 화학 영역으로 확장할 수 있는지 확인하고 싶었습니다."라고 말했습니다. [실리콘에 관한 사실]

연구자들은 우선 아놀드가 1990년대에 개척한 '지향적 진화'라는 전략을 통해 자연에서는 볼 수 없는 분자를 생성하도록 미생물을 유도했습니다. 농부들이 원하는 특성을 얻기 위해 유기체를 여러 세대에 걸쳐 번식시켜 오랫동안 농작물과 가축을 개량해 온 것처럼, 과학자들은 원하는 분자를 만들기 위해 미생물을 번식시킵니다. 수년 동안 과학자들은 가정용 세제와 같은 제품을 만들고 의약품, 연료 및 기타 산업용 제품을 만드는 환경 친화적인 방법을 개발하기 위해 방향성 진화 전략을 사용해 왔습니다. (기존의 화학 제조 공정에는 독성 화학 물질이 필요할 수 있습니다. 대신 지향적 진화 전략은 살아있는 유기체를 사용하여 두더지를 생성합니다.

Arnold와 그녀의 팀(합성 유기 화학자 Jennifer Kan, 생명 공학자 Russell Lewis, 화학자 Kai Chen)은 초점을 맞춥니다. 화학 반응을 촉진하거나 속도를 높이는 단백질의 일종인 효소에 대한 연구입니다. 그들의 목표는 유기규소 화합물을 생성하는 효소를 만드는 것입니다.

"저의 연구실에서는 새로운 효소를 설계하기 위해 진화를 이용합니다."라고 Arnold는 말했습니다. 그것들을 조작하는 방법을 아는 사람은 아무도 없습니다. 그것들은 매우 복잡합니다. 그러나 우리는 자연이 그러하듯이 진화를 사용하여 새로운 유기체를 만드는 방법을 배우고 있습니다.

먼저, 연구자들은 원칙적으로 다음과 같은 의문을 품기 시작했습니다. , 효소는 실리콘에서 화학적으로 조작될 수 있습니다. 다음으로, 그들은 이들 단백질의 DNA 청사진을 다소 무작위로 돌연변이시키고 결과적인 효소가 원하는 특성을 갖도록 테스트했으며 이 과정은 반복되었습니다. 과학자들이 원하는 결과를 얻을 때까지

Arnold와 그녀의 동료들은 헴 단백질이라는 효소로 시작했습니다. 심장에는 철분이 포함되어 있으며 가장 널리 알려진 헤모글로빈은 아마도 헤모글로빈일 것입니다. 혈액이 산소를 운반하도록 돕는 헤모글로빈.

여러 유형의 헤모글로빈을 테스트한 후, 과학자들은 아이슬란드 온천에서 발견되는 박테리아인 R. marinoides의 헴 단백질에 중점을 두었습니다. 시토크롬 c라고 불리는 질문은 일반적으로 단백질의 다른 단백질에 전자를 전달하지만 Arnold와 그녀의 동료들은 시토크롬 c의 구조를 분석한 후 낮은 수준의 유기 규소 화합물도 생성한다는 사실을 발견했으며 연구자들은 단지 소수의 돌연변이가 이 효소의 촉매 활성을 향상시킬 수 있습니다.

실제로, 단 3번의 돌연변이만으로도 단백질을 현재 최고의 합성 기술보다 15배 이상 효율적으로 탄소-실리콘 결합을 생성할 수 있는 촉매로 변형시킬 수 있었습니다. Arnold는 돌연변이 효소가 적어도 20가지의 서로 다른 유기규소 화합물을 생산할 수 있으며 그 중 19가지가 새로 발견되었다고 말했습니다. 이러한 새로운 화합물이 어떤 용도로 사용될 수 있는지는 확실하지 않습니다. Arnold는 "이 연구의 가장 큰 놀라움은 자연에서는 결코 선택되지 않았으면서도 여전히 인간에게 유용한 새로운 기능을 생물학에서 도출하는 것이 얼마나 쉬운가입니다"라고 Arnold는 말했습니다.

돌연변이 효소가 시험관에서 스스로 유기규소 화합물을 생산할 수 있다는 사실을 보여준 것 외에도, 과학자들은 돌연변이 효소를 생산하도록 유전적으로 조작된 대장균이 자체적으로 유기규소 화합물을 생산할 수도 있음을 보여주었습니다. Arnold는 이번 결과는 미생물이 자연적으로 어딘가에서 이러한 분자를 생산하는 능력을 진화시켰을 가능성을 높인다고 말했습니다. "KdSPE" "KDSP"는 생명의 가능성이 있는 우주에 존재하며, 우리는 유기 분자의 실리콘을 포함하여 생명이 우리가 알고 있는 것처럼 매우 쉬운 가능성이라는 것을 보여주었습니다. 일단 우주 어딘가에서 그것을 할 수 있다면 아마도 가능할 것입니다. ” [우리 태양계에서 외계 생명체를 검색할 수 있는 가장 좋은 장소]

실리콘이 지구의 지각에서 더 흔하게 발견되는 경우 지구상의 생명체가 탄소 기반인 이유는 여전히 열려 있는 질문으로 남아 있습니다. 탄소보다 더 적은 종류의 원자와 화학 결합을 형성할 수 있으며, 종종 상호 작용할 수 있는 원자와 덜 복잡한 종류의 분자 구조를 형성하여 유기 규소 화합물을 생성할 수 있는 능력을 제공한다는 사실을 통해 향후 연구를 통해 이곳이나 다른 곳에서 생명체가 존재할 수 있는 이유를 테스트할 수 있을 것입니다. 또는 실리콘을 생체 분자에 통합하도록 진화하지 않았을 수도 있습니다.

연구원들은 우주생물학적 의미를 넘어서 생물학적 과정이 이러한 분자를 합성하는 기존 방법보다 환경 친화적이고 훨씬 저렴한 유기규소 화합물을 생산할 수 있다는 점을 지적했습니다. 예를 들어, 유기규소 화합물을 제조하기 위한 현재 기술에는 종종 귀금속과 독성 용매가 필요합니다. KDSPE 돌연변이 효소는 또한 원하지 않는 부산물을 줄이기 위해 종종 원하지 않는 부산물을 제거하기 위한 추가 단계가 필요하므로 제조 비용이 증가합니다. Arnold는 "현재 여러 화학 회사와 우리 연구의 잠재적인 응용에 대해 이야기하고 있습니다"라고 Arnold는 말했습니다. "이러한 화합물을 생산하는 깨끗한 생물학적 경로는 매우 매력적입니다." Arnold는 "유기 규소 화합물의 능력이 유기체에 대해 가질 수 있는 단점이 있습니다. 이 능력을 유기체에 부여함으로써 우리는 자연에서 우연히 발견하지 않는다는 것을 알 수 있을 것입니다."라고 Arnold는 말했습니다. 이유가 있든 없든. 연구는 자금 지원을 받았습니다. National Science Foundation, Caltech의 혁신 이니셔티브 및 Caltech의 Jacobs 의학 분자 공학 연구소에서 제공한 내용입니다.

이 기사는 NASA의 Astrobiology Program이 후원하는 온라인 간행물인 Astrobiology Magazine에서 제공됩니다. Space@Spacedotcom을 팔로우하세요. 그리고 Google+.

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