Wissenschaftler züchten erstmals biologische Silizium-Kohlenstoff-Verbindung

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So stellen sich Forscher des California Institute of Technology ein höheres Lebewesen auf Siliziumbasis vor (Illu.).

Copyright: Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) for Caltech

Pasadena (USA) – Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, lebende Organismen zu züchten, die Silizium-Kohlenstoffverbindungen produzieren, wie sie bislang nur rein chemisch erzeugt werden konnten. Neben möglichen industriellen Anwendungen werden Leben auf der Grundlage von Silizium nicht nur von Science-Fiction-Autoren sondern auch von Astrobiologen schon lange als Alternative von Kohlenstoff für außerirdische Lebensformen diskutiert.

Chemisch erzeugte Moleküle mit Silizium-Kohlenstoffverbindungen – sogenanntes Organosilizium – finden ihre Anwendungen in der Pharmazie, sowie in landwirtschaftlichen Chemikalien, Farben, der Halbleitertechnologie und Bildschirmen. Bislang müssen derartige Produkte synthetisch hergestellt werden, da die Verbindungen in der (irdischen) Natur nicht vorkommen.

Durch den Erfolg der Züchtung eines Bakteriums, das ein Silizium-Protein produziert, können derartige Verbindungen zwischen Kohlenstoff und Silizium nun auch auf umweltfreundliche und kostengünstigere Art und Weise erzeugt werden. „Wir wollten de Natur dazu bringen, das zu tun, was bislang nur Chemiker geschafft haben – nur besser“, kommentiert Frances Arnold vom California Institute of Technology (Caltech).

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Die aktuell im Fachjournal „Science“ (DOI: 10.1126/science.aah6219) veröffentlichte Studie zeigt, dass auch in der Natur Silizium in kohlenstoffbasierte Moleküle, den Bausteinen des Lebens, eingegliedert werden kann.

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In der Folge „Horta rettet ihre Kinder“ der TV-Serie „Raumschiff Enterprise“ (Star Trek) verschmelzt Mister Spock seine Gedanken mit dem Silizium-Organismus Horta.

Copyright: Paramount Pictures and/or CBS Studios

Tatsächlich spekulieren Wissenschaftler wie Science-Fiction-Autoren schon lange darüber, wie sich das irdische oder außerirdisches Leben entwickelt haben könnte, wenn es nicht auf Kohlenstoff sondern auf Silizium aufgebaut wäre. Kohlenstoff und Silizium gleichen sich chemisch. Sie können beide vier Atome gleichzeitig an sich binden, was sie zur idealen Grundlage für die Bildung langer Molekülketten macht, wie sie für die Entstehung von Proteine und DNA notwendig sind.

„Bislang war kein Organismus bekannt, der Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen zusammenführt, obwohl Silizium in Form von Gestein und Sand auf der Erde fast überall in wirklich großer Menge vorhanden ist“, erläutert Jennifer Kan. „Tatsächlich ist Silizium das am zweit häufigste Element in der Erdkruste.“

Zur Methode
In ihren Experimenten nutzten die Forscher eine Methode, die sie als „direkte Evolution“ bezeichnen und mit der schon seit den 1990er Jahren durch künstliche Auswahl neue und bessere Enzyme im Labor erzeugt werden. Der Prozess ist mit der Züchtung modifizierter Pflanzen- und Tierarten vergleichbar. Enzyme sind eine Form von Proteinen die chemische Reaktionen katalysieren bzw. erleichtern.

Der Prozess der „direkten Evolution“ beginnt mit der Auswahl jenes Enzyms, dessen Wirkung die Wissenschaftler verstärken wollen. Gentechnisch wird dann dieses Enzym in mehr oder weniger zufälliger Weise mutiert und die daraus entstandenen mutierten Enzyme werde auf die gewünschte Eigenschaft hin getestet. Die für den gewünschten Zweck am besten funktionierenden Enzyme werden dann erneut mutiert und der Vorgang so lange wiederholt, bis das Enzym den ursprünglichen Vorgang deutlich besser durchführt.

Die Methode wird bereits seit Jahren zur umweltfreundlichen Herstellung von Enzymen verwendet, die sowohl in Haushaltsprodukten wie Waschmitteln, in der Landwirtschaft aber auch in der Pharmazie und in Treibstoffen Anwendung finden.

In der aktuellen Studie war das Ziel jedoch nicht nur die Verbesserung der biologischen Funktion eines Enzyms, sondern auch es sozusagen davon zu überzeugen, etwas zu tun, was es bislang noch nie zuvor getan hatte.
Den idealen Kandidaten für die Aufgabe fanden die Forscher in einem Protein eines Bakteriums, das rund um heiße Quellen in Island zu finden ist: das Protein „Cytochrom c“.

Nach nur 15 Mutationsrunden hatten die Forscher auf diese Weise ein Enzym „gezüchtet“, das gezielt Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen 15 mal effizienter erzeugen kann als der beste chemische Katalysator: „Dieser eisenbasierte Beschleuniger ist nicht giftig, billiger und einfacher zu verändern als jene Katalysatoren, die innerhalb der chemischen Synthese benutzt werden. Die neue Reaktion kann zudem sogar bei Raumtemperaturen und im Wasser durchgeführt werden“, erläutert Kan. Im Gegensatz dazu benötigt der bisherige chemische Vorgang zu Herstellung von Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen wertvolle Metalle, seltene Erden, und giftige Lösungsmittel. Zudem bei der chemischen Synthese) müssen ungewollte Nebenprodukte in aufwendigen Verfahren wieder entfernt werden.

Hintergrund
Außerirdisches Leben auf Siliziumbasis?
Nicht nur Science-Fiction-Autoren beschäftigen sich mit der Idee, dass Leben, außerirdisches Leben, nicht nur – wie das irdische – auf Kohlenstoff basieren könnte. Wie die Abbildung zu Beginn dieser Meldung zeigt, wird diese Idee auch in Wissenschaftskreisen diskutiert.

04367Auch im grenzwissenschaftlichen Bereich ist das Thema bereits bekannt: Im Sommer 2001 wurde in einem Getreidefeld neben dem Radioteleskop von Chilbolton in der südenglischen Grafschaft Hampshire ein Kornkreismuster entdeckt, das als eine „Antwort“ auf die von SETI-Astronomen 1974 ins All gesendete „Visitenkarte der Menschheit“ gelesen werden konnte (s. Abb. l.).

In dieser „Kornkreis-Antwort“ (s. Abb. r.) wurden die Schlüsselinformationen „unserer Botschaft“ über die Menschheit durch Informationen über eine vermeintlich außerirdische Zivilisation ausgetauscht und dargestellt.

Auch die Darstellung der Atomordnungszahlen der chemischen Basiselemente des Lebens (siehe Abb. „B“ und roter Pfeil) zeigte im Kornkreis eine Abweichung: Zu den fünf irdischen Elementen (Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor, die durch die v.l.n.r. lesbaren Ordnungszahlen „1 6 7 8 15“ repräsentiert werden) fügt die „Antwort“ ein sechstes – Silizium – hinzu. Weitere ausführliche Information zur „Kornkreis-Botschaft von Chilbolton“ finden Sie HIER

Ob auch auf natürliche Weise Leben auf der Basis von Silizium entstehen kann, sei wiederum „eine Frage der Natur“, so Arnold und führt dazu weiter aus: „Unsere Studie zeigt, wie schnell sich die Natur tatsächlich an neue Herausforderungen anpassen kann. Die Zellmachinerie lernt sehr schnell neue chemische Aufgaben zu lösen, wenn sie mit neuen Reagenzen konfrontiert wird. Uns ist das durch künstliche Selektion gelungen. Die Natur könnte das sicherlich auch geschafft haben, wenn sie es nur wollte.“

GreWi-Kurzgefaßt
– Silizium wurde bereits als Alternative zu Kohlenstoff als Grundlage des Lebens diskutiert.
– US-Wissenschaftler haben jetzt erstmals biologisch Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen gezüchtet, wie sie eine Alterantive zur umweltbelastenden und kostenaufwendigen chemischen Synthese darstellen.
– Auf ähnliche Art udn Weise könnte außerirdisches Leben auch Silizium nutzen.

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