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Este artículo fue publicado en Amazings el pasado jueves y ahora participa como colaboración para el Carnaval de Biología que se aloja en el blog http://blogdelaboratorio.com.

A partir de aquí:

Superlife, Silicio Orgánico. 

La complejidad de todos los sistemas biológicos conocidos hasta ahora se basan en la química del carbono. Este sencillo elemento reúne las cualidades necesarias para constituir el primer escalón de la vida. Es abundante, con facilidad forma dobles y triples enlaces y sus cuatro electrones de valencia le permiten unirse a un número relevante de radicales. En este artículo pretendo alejar el chovinismo del carbono para especular sobre una bioquímica hipotética y factible: la del silicio.

Antes de diseñar cualquier sistema debemos fijarnos y detallar el actual sistema carbónico, probado por su funcionalidad.

El hecho de que compartamos múltiples compuestos sintetizados en base a un átomo central se debe a la variabilidad de enlaces que puede completar éste y su estabilidad relativa. Empezando por los hidrocarburos, compuestos con un papel fundamental en la estructura biológica y como fuente de energía, son un abanico de ladrillos microscópicos con una variabilidad ingente que deben a la longitud de la cadena y a los radicales. A priori parece difícil imaginar un grupo químico tan grande y básico formado solamente por C y H.

Y de los radicales precisamente rige parte de la especificidad de estas cadenas y de la de muchos elementos. Se forman a base carbonos que se enlazan a otros átomos de igual tipo para adquirir un papel secundario en la cadena general. Y papel poco relevante hasta aquí, porque el gran protagonismo carbónico se adquiere en la formación de grupos funcionales. La mayoría de estos grupos contiene carbono y los que no lo contienen incluyen el silicio u otros átomos relevantes (véase N, por ejemplo). Como ya pasa con los hidrocarburos, los grupos funcionales carbonados constan de uniones C, O y H que a base de múltiples oxidaciones puede dar origen a un tipo u otro. Ahora la interconversión es más simple y abarca un conjunto químico más potente.

Como acabamos de ver, no hay muchos misterios que hagan del carbono el átomo elegido para tan portentosa representación. Y si ahora aplicamos las características anteriormente mencionadas damos con una serie de elementos que bien podrían sustituirle, pero el que más se le acerca (y no a mucha distancia) es el silicio.

Son muchas las similitudes que mantiene el silicio con su compañero carbonoideo. También mantiene la relación de cuatro electrones libres en capa de valencia para unirse a cuatro elementos distintos y la capacidad de crear enlaces covalentes con otros metales es la misma. Es tal la similitud Silicio – Carbono que incluso se han diseñado modelos moleculares de ácidos nucleicos basándose en el carbono que no discrepan de las pautas de herencia actual. De hecho, existen enzimas formadas por silicio, las zeolitas que actúan al igual que una proteína. Si bien se mantiene una distancia respecto al carbono. Los silicatos se dividen a temperatura espontánea, otros compuestos silicados equivalentes a los ácidos grasos son solubles en agua y el elemento madre difícilmente forma enlaces dobles y triples. No todo iba a ser calcado. Eso sí, nadie puede descartar nuestro átomo porque en condiciones estándar sea improbable su desarrollo.

Para empezar toca construir el sistema silíceo de cero. Conservamos la base de herencia genética de los ácidos nucleicos, con su grupo fosfato intocable y si sustituimos todos los carbonos de la pentosa y base nitrogenada por silicio vemos que no hay una estructura diferente de la inicial, si bien la morfología es otra cosa. El Silicio tiene el doble de volumen que el carbono y es más pesado, la pentosa podría soportarlo pero a continuación vemos que pasa con la base nitrogenada.

Arriba, Guanina conocida y abajo con los C (azul celeste) sustituidos por Si (gris),

el radio de Van der Waals varía.

Como podemos ver apenas varía la geometría sólo que la base ahora es más pesada a nivel molecular y su ocupación ha sido incrementada considerablemente. ¿En qué puede influir todo esto? Pues una base más pesada y más voluminosa crea impedimento estérico a los centros nucleofílicos de purinas y pirimidinas lo que confiere estabilidad general. A pesar de ello, el momento dipolar con silicio – heteroátomo es menor por lo que los enlaces son algo más largos y no tan fuertes en relación al carbono. Dejando de banda aspectos espectroscópicos, los mecanismos de herencia se verían inalterados y practicarían el mismo patrón como si de C se tratase. Como el RNA es menos estable que el DNA debido al hidroxilo de su carbono 2, la molécula de la información genética en la bioquímica del silicio sigue siendo hipotéticamente la misma.

Todo esto en cuanto a estructura, pero la funcionalidad y reactividad de las moléculas de DNA y RNA es primordial. El volumen total que pueda ocupar la nueva doble hélice es más grande y por tanto núcleo/nucleoide deben abarcar un espacio superior, suponiendo que las formas compresivas de nuestro DNA hipotético no difieran del actual.  El hecho de que el núcleo celular sea más grande nos lleva a polimerizar una membrana o cubierta con más superficie y peso. A esta suposición le sumamos los años de evolución necesarios para desarrollar un sistema eficaz de conservación bajo agentes externos (tal y como ha sucedido en nuestra célula).

Y una vez llegados al punto de la evolución el tema de las mutaciones es trascendental. ¿Existen más posibilidades de mutación en el DNA de silicio? La respuesta deber ser el cómputo global de diferentes cuestiones. Las mutaciones aleatorias son la principal fuente de variabilidad y por consiguiente de evolución que se atañen a múltiples aspectos. Una de las más conocidas se debe a delecciones, eliminación de una base y lectura errónea del codón, de modo que sería más complicada en una molécula tan grande. Pero hay que barajar la posibilidad de otro tipo de mutaciones que serían igualmente efectivas tales como roturas en puntos de compresión cuando la carga de la molécula cae en la pentosa que sujeta la base totalmente. Lejos de una mutación, una rotura sería fatídica porque altera el patrón de lectura del codón y libera aminoácidos sueltos que se acumulan en el citoplasma. Un caso particular de dinámica nucleica es el intercambio de DNA. Este proceso, que resulta de vital importancia en la lucha por la supervivencia ante agentes externos o cambios radicales del medio, no se podría llevar a cabo porque los métodos practicados no permiten que el traspaso de información en moléculas tan grandes sin perder ninguna base sea posible.

Pero cada mutación se fija en proteínas o productos expresados por un determinado tipo de ADN (eucromatina) pero para descondesar tales cantidades la célula debería ser muy grande. Lo cual, en un sistema proporcionado no sería para nada extraño, pero que puede adoptar una estrategia diferencia para mantener un tamaño razonable. Lo más fácil de predecir sería desarrollar una especialización histológica compleja con más tipos celulares que descompriman diferentes partes de ADN para expresar una cantidad menor de proteínas cada una pero que se complementan entre ellas para no trabajar con un núcleo desmesurado. Para que se cumpliera la situación anterior se necesitarían años y años de evolución por lo que, aunque el tamaño celular no se redujera desde su génesis, existiría un equilibrio entre este y el número de individuos que se desplazaría hacia el mínimo tamaño ante la necesidad de proliferar nuevos ambientes.

Cabe añadir como curiosidad que el marcaje de DNAs y RNAs silíceos con bromuro de etidio perdería efecto al no poder unirse con efectidad entre los pares de bases, puesto que con el mismo ángulo de separación entre ellas (alrededor de 36º) dejan menos espacio. El marcaje radiactivo rendiría el mismo efecto que el hasta ahora conocido.

La construcción orgánica necesita sobre todo de estructuras, vamos a ver las proteínas del silicio. Conocemos las zeolitas que emulan el papel catabólico y anabólico de los enzimas terrestres. A pesar de compartir el mismo papel funcional no tienen la misma estructura. Las zeolitas se organizan en cristales de SiO4 y AlO4. Es necesario especificar los matices. No todo es blanco o negro y la biología no iba a ser menos. Partir de una rama genética basada en un átomo no implica que sus productos expresados tengan que ser del mismo tipo, es decir, puede codificar por especies completamente distintas. Así, sería posible que el DNA anteriormente descrito codificara por la serie proteica (código de aminoácidos) nuestra y no unas especies químicas nuevas que sustituyan el carbono.

Igualmente, la idea de una biomolécula equivalente a las proteínas que parta de átomos de Si es factible solo en un orden macroscópico. Esto implica que las estructuras que conocemos de proteínas no se pueden dar si cambiamos el C por Si ya que las interacciones intramoleculares con un volumen tan grande como tendrían no asegurarían la totalidad del compuesto. Existe una forma alternativa utilizando Si que sigue la idea de formar cristales con radicales en la superficie o revistiendo y que otorgan especificidad.

Como vemos, a nivel macroscópico la estructura propuesta es relativamente estable siempre y cuando supongamos que están formados por estructuras tetraédricas y derivadas con el Si como elemento central. Si reducimos a un orden inferior, comprobamos que no se puede simular un aminoácido con nuestro átomo estrella. Esto se debe a que formar un zwitterión con N y Si desplazaría la densidad de carga notablemente hacia el último átomo y la repulsión entre ellos acota la sucesión de la cadena a un número disminuido de monómeros.

En cuanto a las biomoléculas energéticas necesarias para que un organismo de tales características los quebraderos de cabeza son menos. Existen diferentes estrategias, a pesar de que el silicio suele ser un elemento abundante en numerosos ecosistemas terrestres y más allá de nuestro planeta, la diversidad de enzimas y proteínas que intervienen en una cadena metabólica abre la posibilidad de obtener energía de compuestos muy variados que no deben regirse únicamente a si nuestro átomo se halla presente o no. Sin ir más lejos, la variedad en los reinos de vida que ya conocemos es tan grande que no cabe lugar a barajar posibilidades completamente nuevas para el nuestro.

Otro punto que también queda abierto es el ambiente y la estabilidad que confiere a nuestro hipotético sistema. Pero lo cierto es que en innumerables ambientes cada sistema puede ser factible a nivel empírico solo con modificar sus variables, algo a lo que la evolución nos tiene ya acostumbrados. Como aventuraba la estructura voluminosa del DNA anterior, que necesitaba años y años de mutación, no sería tampoco nada extraño si postulásemos que la biogénesis se diera en un líquido por su alta reactividad y se desarrollara en él durante miles de milenios. Así, tanto un entorno acuoso (H2SO4) como terrestre sería posible y no será en este artículo donde se niegue la especulación con él.

Antes de cerrar el tema es necesario justificar todo lo que se ha propuesto. Este artículo versa sobre una hipótesis en la que el silicio parte como átomo estrella de un sistema orgánico, sustituyendo el carbono, y se trata de justificar teóricamente su papel en diferentes estructuras clave para la vida. Más que resolver, cada pregunta formulada a partir de la cuestión del Si como elemento de vida es una oportunidad a la divagación y un pedacito más de ciencia. Como conclusión puedo extraer que el silicio es un elemento que presenta series dificultades para competir con el carbono en nuestro círculo de vida que conocemos pero que podría dar lugar perfectamente a otro igual de compatible entre si y que permita las características que la definen con regularidad.

 

Este post participa en la XII Edición del Carnaval de Biología que organiza Raúl de la Puente (@doctorGENoma) en su “Blog de laboratorio“.

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