Investigadores persuaden a la naturaleza para hacer enlaces de silicio-carbono

Las moléculas con compuestos de silicio-carbono, u organosilicio, se encuentran en productos farmacéuticos, así como en muchos otros, incluyendo productos químicos agrícolas, pinturas, semiconductores, y pantallas de ordenador y televisión. Actualmente, estos artículos se fabrican sintéticamente, ya que los enlaces silicio-carbono no se encuentran en la naturaleza.

Esta nueva investigación demuestra que se puede emplear la biología para fabricar estos enlaces en formas que son más respetuosas con el medio ambiente y potencialmente mucho menos costosas. "Decidimos hacer que la naturaleza fabricada lo que sólo los químicos podían hacer, sólo que mejor", resume Frances Arnold, profesor de Ingeniería Química, Bioingeniería y Bioquímica de Caltech, e investigador principal de este trabajo, que se detalla en 'Science'.

El estudio demuestra que la naturaleza puede adaptarse para incorporar el silicio en las moléculas basadas en el carbono, los bloques de construcción de la vida. Los investigadores se han preguntado si la vida en la Tierra podría haber evolucionado para estar basada en el silicio en lugar del carbono, y los creadores de ciencia ficción han imaginado mundos extraterrestres con vida basada en silicio, como las grumosas criaturas de Horta retratadas en un episodio de la serie de televisión de los años 60 'Star Trek'.

El carbono y el silicio son químicamente muy similares. Ambos pueden formar enlaces de cuatro átomos simultáneamente, haciéndolos bien adaptados para formar cadenas largas de moléculas encontradas en la vida, como proteínas y ADN. "Ningún organismo vivo es capaz de unir enlaces silicio-carbono, a pesar de que el silicio es tan abundante a nuestro alrededor, presente en las rocas y en toda la playa", subraya Jennifer Kan, investigadora postdoctoral del laboratorio de Arnold y autora principal del nuevo estudio. El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre.

Los investigadores utilizaron un método llamado evolución dirigida, iniciado por Arnold en los años 90, en el cual se crean nuevas y mejores enzimas en laboratorios mediante selección artificial, similar a la manera en que los productores o criadores modifican el maíz, las vacas o los gatos.

EL PAPEL DE UNA PROTEÍNA DE UNA BACTERIA EN AGUAS TERMALES DE ISLANDIA

Las enzimas son una clase de proteínas que catalizan, o facilitan, las reacciones químicas. El proceso de evolución dirigida comienza con una enzima que los científicos quieren mejorar. El ADN que codifica la enzima muta de manera más o menos aleatoria y las enzimas resultantes son sometidas a pruebas sobre un rasgo deseado. La enzima de alto rendimiento es entonces mutada de nuevo y el proceso se repite hasta que se crea una enzima que funciona mucho mejor que la original.

La evolución dirigida se ha utilizado a lo largo de años para fabircar enzimas para los productos del hogar, como detergentes; y mediante rutas sostenibles "verdes" para la fabricación de productos farmacéuticos, químicos agrícolas y combustibles. En el nuevo estudio, el objetivo no era sólo mejorar la función biológica de una enzima sino persuadirla para que hiciera algo que no había hecho antes.

El primer paso de los investigadores fue encontrar un candidato adecuado, una enzima que mostrara potencial para hacer los vínculos silicio-carbono. "Es como criar un caballo de carreras --dice Arnold, también director del Centro de Bioingeniería en Caltech--. Un buen criador reconoce la capacidad inherente de un caballo para convertirse en un corredor y tiene que llevar eso a generaciones sucesivas. Hicimos justo eso con proteínas".

El candidato ideal resultó ser una proteína de una bacteria que crece en aguas termales en Islandia. Esta proteína, llamada citocromo c, normalmente transporta electrones a otras proteínas, pero los investigadores descubrieron que también actúa como una enzima para crear enlaces silicio-carbono a niveles bajos. Los científicos luego mutaron el ADN que codifica esa proteína dentro de una región que especifica una porción que contiene hierro de la proteína que se cree que es responsable de su actividad de formación de enlaces silicio-carbono. A continuación, probaron la capacidad de estas enzimas mutantes para fabricar compuestos de organosilicio mejor que la original.

Después de sólo tres rondas, se había creado una enzima que puede fabricar selectivamente enlaces de silicio-carbono 15 veces más eficientemente que el mejor catalizador inventado por los químicos. Además, la enzima es altamente selectiva, lo que significa que hace menos subproductos no deseados que tienen que ser químicamente separados.

"Este catalizador basado en hierro y genéticamente codificado no es tóxico y es más barato y más fácil de modificar en comparación con otros catalizadores utilizados en la síntesis química --dice Kan--. La nueva reacción también se puede hacer a temperatura ambiente y en agua". El proceso sintético para la fabricación de enlaces silicio-carbono a menudo utiliza metales preciosos y disolventes tóxicos, y requiere un procesamiento adicional para eliminar subproductos no deseados, elevando todo ello el costo de fabricación de estos compuestos.