Silikon Temelli Hayat Mümkün Olabilir mi?

Bilimkurgu dünyası uzun zaman boyunca, tıpkı orijinal Star Trek serisindeki taş yiyen Horta gibi, silikon temelli bir yaşamın yer aldığı uzaylı dünyalarını hayal etti. Şimdi ise bilim insanları, ilk defa doğanın karbon temelli moleküllerin içinde silikonu barındıracak şekilde evrimleşebileceğini gösterdi ve bulgularını Science dergisinde detaylandırdı.^[1] Bu bulguların uzak dünyalarda (uzayda) yaşam kimyası için barındırabileceği sonuçlara gelince, söz konusu çalışmanın yardımcı yazarı, California Teknoloji Enstitüsü'nden olan ve 2018 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görülen Frances Arnold şöyle diyor:

Benim hissiyatım şudur ki; eğer insanlık, yaşamı silikon ve karbon arasında bağlar oluşturmaya zorlayabiliyorsa, bunu doğanın kendisi de yapabilir.

Karbon, bilinen her biyolojik molekülün belkemiğidir. Dünya'daki yaşam karbona dayanır; çünkü her karbon atomu, eş zamanlı olarak dört farklı atomla bağ kurabilir. Bu nitelik, karbonu DNA ve protein gibi yaşam için elzem olan bazı moleküllerin uzun zincirlerini oluşturabilmesi açısından uygun kılar.

Yine de araştırmacılar, uzun süredir uzaylı yaşamının Dünya'dakinden tamamen farklı bir kimyasal temeli olabileceği olasılığını da değerlendiriyorlar. Örneğin uzaylı yaşamı, biyolojik moleküllerin faaliyet gösterebileceği bir çözücü olan su yerine, belki de amonyağa ya da metana dayanıyor olabilir ve yeni yaşam molekülleri oluşturmada uzaylılar, belki de silikonu kullanıyordur.

Silikonun da eş zamanlı olarak dört farklı atomla bağ kurabildiğini göz önüne alınca, karbon ve silikon kimyasal olarak çok benzer iki elementtir. Dahası silikon, evrendeki en yaygın elementlerden biridir. Örneğin, silikon Dünya'nın kabuk kütlesinin yaklaşık %30'unu oluşturur ve bu sayı kabaca Dünya kabuğundaki karbon elementi miktarının 150 katıdır.

Bilim insanları uzun zamandır Dünya'daki yaşamın kimyasal olarak silikonu işleyebileceğini biliyordu. Örnek olarak, silikon dioksitin "fitolitler" olarak bilinen mikroskobik parçacıkları otlarda, başka bitkilerde bulunabilir ve diatomlar olarak bilinen fotosentetik algler iskeletlerine silikon dioksiti katarlar. Fakat bununla birlikte, Dünya'da silikonu ve karbonu kombine ederek moleküller oluşturan bilinen başka doğal yaşam formu yoktur.

Yine de kimyacılar, silikon ve karbon içeren molekülleri yapay olarak sentezlemiş bulunuyor. Bu organosilikon bileşikleri; tıbbi ilaçlar, yalıtım malzemesi, sızdırmaz derzler, yapıştırıcılar, boyalar, bitki öldürücü kimyasallar, mantar önleyici ilaçlar, bilgisayar ve televizyon ekranları gibi çok geniş bir ürün yelpazesi içinde bulunuyor. Şimdiyse bilim insanları, biyolojik organizmaların, karbonu ve silikonu kimyasal olarak bir araya getirip bağ kurdurmaya zorlamanın bir yolunu keşfettiler. Çalışmanın araştırmacılarından biri olan Frances H. Arnold şöyle söylüyor:

Biz, doğanın henüz keşfedemeyip biyolojinin halihazırda yapıyor olduğu şeyi, kimyanın yeni alanlarını geliştirmek için kullanıp kullanamayacağımızı görmek istedik.

Arnold'ın 1990 başlarında öncülük ettiği araştırmacılar, mikropları "yönlendirilmiş evrim" stratejisi ile doğada daha önce görülmeyen yaratıcı moleküllere yönelttiler. Tıpkı çiftçilerin uzun zamandır mahsullerini ve besi hayvanlarını bazı özellikleri gösterebilmeleri için nesiller boyu yeni organizmalar üreterek modifiye etmesi gibi, bilim insanları da mikropları arzuladıkları molekülleri yaratması için yetiştirdiler.

Slide Player (Peter Budzelaar)

Bilim insanları, yıllarca deterjan gibi evde kullanmaya yönelik ürünleri üretmek ve tıbbi ilaçların, benzinin ve diğer endüstriyel ürünlerin çevre dostu versiyonlarını geliştirmek için yönlendirilmiş evrimsel stratejileri kullandılar. Geleneksel kimyasal üretim aşamaları zehirli kimyasallar gerektirebilir. Bunun aksine yönlendirilmiş evrim stratejileri, yeni moleküller yaratmak için canlı organizmaları kullanır ve yaşama zarar verebilecek kimyasalları kullanmaktan genellikle kaçınır.

Arnold ve sentetik organik kimyager Jennifer Kan, biyomühendis Russell Lewis ve kimyager Kai Chen'den oluşan takımı; "enzim" denilen, kimyasal reaksiyonları katalizleyen ya da ivmelendiren proteinlere odaklandılar. Amaçları, organosilikon bileşiklerini üretebilen enzimler yaratmaktı. Arnold bu konuda şöyle diyor:

Benim laboratuvarım, yeni enzimler tasarlamak için evrimi kullanır. Kimse enzimlerin tam olarak nasıl tasarlanacağını bilmiyor; enzimler son derece karmaşık yapılardır. Ama biz, tıpkı doğanın yaptığı gibi, yeni enzimler üretmek için evrimin nasıl kullanılabileceğini öğreniyoruz.

Öncelikle araştırmacılar, kimyasal olarak silikonu işleyebileceğini prensip olarak tahmin ettikleri enzimlerle işe başladılar. Sonra bu proteinlerin DNA şablonunu az ya da çok rastgele bir biçimde mutasyona uğratarak dönüştürüp, sonuçta ortaya çıkan enzimi arzulanan özellik için test ettiler. En iyi sonuç veren enzimler tekrar mutasyona uğratıldı ve bu süreç, bilim insanları istedikleri sonuçlara ulaşana kadar tekrarlandı.

Arnold ve meslektaşları merkezinde demir bulunduran, çok çeşitli reaksiyonları katalizleyebilen ve "hem (İng: "heme") proteini" olarak bilinen enzimlerle işe başladılar. Muhtemelen en çok tanınan ve bilinen hem proteini, kanın oksijen taşımasına yardımcı kırmızı bir pigment olan hemoglobindir.

Pek çok hem proteinini test ettikten sonra bilim insanları, İzlanda'daki sıcak kaynaklarda bulunan Rhodothermus marinus bakterisindeki örneğe odaklandılar. Sitokrom C olarak bilinen söz konusu hem proteini, normalde mikroptaki elektronlar ve diğer proteinler arasında mekik dokur; fakat Arnold ve meslektaşları, bu proteinin az miktarda organosilikon bileşiği oluşturabileceğini de ortaya çıkardı.

Araştırmacılar, Sitokrom C'nin yapısını analiz ettikten sonra, yalnızca birkaç mutasyonun enzimin katalitik aktivitesini oldukça arttırabileceğini düşündüler. Dahası yalnızca üç mutasyon seansı, bu proteini, şu an uygulanabilir olan sentetik tekniklerin en iyisinden 15 kat daha verimli bir şekilde karbon-silikon bağı oluşturabilecek bir katalizöre dönüştürmek için yeterliydi. Arnold, mutant enzimin en az 20 farklı organosilikon bileşiği oluşturabildiğini ve bunların 19 tanesinin bilimsel olarak daha önce tespit edilmemiş, yeni bileşikler olduğunu söylüyor. Bu yeni bileşikler için insanların ne tür uygulamalar bulabileceği ise hâlâ bilinmezliğini sürdürüyor. Arnold şöyle söylüyor:

Bu çalışmadaki en büyük sürpriz şuydu: Biyolojiden yeni işlevler elde etmenin ne kadar kolay olduğu. Öyle yeni işlevler ki, insanlar için faydalı olmasına rağmen, doğal yaşamda muhtemelen asla seçilmediler. Biyolojik dünya, değişiklik yapmak konusunda soğukkanlı gibi duruyor.

Bir test tüpünün içinde kendi kendine organosilikon bileşikleri üretebilen mutant enzime ek olarak, bilim insanları aynı zamanda genetik olarak kendi içinde mutant enzim üretmeye modifiye edilmiş E. coli bakterisinin de organosilikon bileşiği sentezleyebildiğini gösterdi. Bu sonuç, mikropların herhangi bir yerde doğal olarak bu bileşikleri sentezleyebilmek üzerine evrimleşmiş olabileceği ihtimalini artırıyor. Arnold şöyle diyor:

İhtimallerin evreninde hayatın var olması için, bilinen yaşamın organik moleküller içine silikonu katmasının çok basit bir ihtimal olduğunu gösterdik ve eğer bunu evrenin herhangi bir yerinde yapabiliyorsak, muhtemelen başka yerinde de gerçekleşmiştir.

NBC News (Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) / Caltech)

Silikon elementi Dünya kabuğunda karbondan daha fazla bulunuyorsa, Dünya'daki yaşam neden silikona değil de karbona dayanıyor sorusu hâlâ geçerli bir soru. Önceki araştırmalar, karbonla kıyaslandığında, silikonun daha az çeşit atomla bağ kurabildiğini ve bu atomlarla daha az kompleks molekül yapıları oluşturabildiğini iddia ediyor. Gelecek araştırmalarda, yaşama organosilikon bileşikleri yaratabilme yetisi verilerek burada ya da başka yerde yaşamın neden biyolojik moleküller içine silikonu katıp katmamak yönünde evrimleştiği test edilebilir.

Astrobiyoloji çıkarımlarına ek olarak, araştırmacılar bu çalışmada organosilikon bileşiklerinin biyolojik süreçler ile üretilebilmesinin bu molekülleri var olan tekniklerle sentezlemekten daha çevre dostu ve potansiyel olarak daha az maliyetli olduğunu ileri sürüyor. Örneğin, organosilikon bileşikleri oluşturmak için kullanılan şu anki teknikler genellikle değerli metaller ve zehirli çözücüler gerektiriyor. Mutant enzim, aynı zamanda daha az istenmeyen ara ürün ortaya çıkarıyor. Bunun tersine, var olan teknikler istenmeyen ara ürünleri ortadan kaldırmak için sıklıkla daha fazla adım gerektiriyor ve bu da söz konusu moleküllerin sentezlenmesi için maliyetin daha da artması demek. Arnold konuyla ilgili şunları söylüyor:

Şu anda çalışmamızın potansiyel uygulamaları hakkında çeşitli kimya şirketleriyle konuşuyorum. Organosilikon bileşikleri sentetik olarak çok zor elde ediliyor, yani bu bileşiklerin temiz bir biyolojik yol ile sentezlenmesi çok çekici bir fikir.

Gelecek araştırmalar, organosilikon sentezleyebilme becerisinin organizmalar için avantajlarının ve dezavantajlarının ne olacağını ortaya çıkarabilir. Arnold, sözlerini şöyle bitiriyor:

Bir organizmaya bu yetiyi vererek, neden doğal yaşamda bu özelliğe tesadüfen denk gelmiyoruz sorusunun, eğer ki varsa, bir cevabını bulabiliriz.