lunes, 23 de enero de 2023

¿Es posible una vida basada en el silicio? - David L. Van Vranken y Vanessa Arredondo

¿Es posible una vida basada en el silicio?
(Por David L. Van Vranken y Vanessa Arredondo)


(Noviembre 2016)



Los átomos de carbono y moléculas que contienen enlaces carbono-carbono son fundamentales para todos los organismos vivos de la Tierra. Por ejemplo, constituyen la estructura del ADN, ARN, de proteínas, plantas, animales, seres humanos, y mucho más. Aun así, ¿será posible que la vida se centre alrededor de un elemento además del carbono? La tabla periódica, introducida en la década de 1860, ordena los elementos por tamaño y propiedades químicas. Los elementos en la misma columna anticipan a exhibir propiedades químicas similares. Silicio debería ser el elemento químicamente más parecido al carbono ya que se encuentra directamente debajo del carbono en la tabla periódica. Ambos tienen cuatro electrones de valencia en su capa exterior que permite a los dos unirse con cuatro grupos para formar estructuras tetraédricas.

Sin embargo, hay algunas diferencias importantes entre los enlaces que el carbono y el silicio pueden hacer. Enlaces de carbono-carbono son un poco más fuertes que los enlaces de silicio-silicio debido al tamaño más grande del átomo de silicio. El carbono está limitado por la regla del octeto – solo puede tener ocho electrones de valencia – y por lo general se limita a cuatro enlaces. Silicio no está limitado por la regla del octeto y puede tener más de ocho electrones de valencia. Silicio prefiere cuatro enlaces, pero fácilmente produce moléculas estables en las que tiene cinco o incluso seis enlaces con otros átomos. La habilidad para formar más enlaces debería permitir al silicio producir una mayor variedad de estructuras moleculares complejas comparado con el carbono. Además, el silicio predomina en cantidad sobre el carbono en planetas rocosos como la Tierra. El silicio constituye el 14% de la Tierra por peso mientras el carbono representa menos del 0.1%. ¿Dada la promiscuidad química y la abundancia de silicio podemos visualizar formas de vida basadas en el silicio en lugar del carbono?

La cuestión sobre vida basada en el silicio no es nueva. Muchos han especulado sobre las formas de vida basadas en el silicio. La educación bioquímica de Isaac Asimov y su visión diletante lo llevó a evaluar las características químicas del carbono en relación con el silicio. Ambos elementos forman óxidos estables con oxígeno molecular: el carbono forma dióxido de carbono (CO2) y el silicio forma sílice (SinO2n). Las propiedades físicas de estos dos compuestos difieren dramáticamente. El dióxido de carbono se procesa sin esfuerzo; es un gas que se disuelve fácilmente en agua y reacciona con el agua. En contraste, sílice rápidamente forma sales de silicato refractario. Sílice y silicatos son el principal componente de la roca; son insolubles en agua y no son reactivos con agua. Además, la mayor estabilidad de sílice en relación con la del dióxido de carbono hace que sea más difícil de reducirlo para formar enlaces útiles como silicio-hidrógeno o silicio-silicio. La vida en nuestro planeta últimamente es posible por la reducción bioquímica de CO2 para formar moléculas compuestas de enlaces carbono-hidrógeno y carbono-carbono.

La vida también depende de una serie de otros procesos bioquímicos tales como la replicación, la adaptación, y el metabolismo. Estos procesos son dependientes de las interacciones que involucran anillos planos que son un átomo grueso. La forma plana de estos fragmentos moleculares depende de la capacidad de formar enlaces dobles estables y planos. Los átomos de carbono, nitrógeno, y oxigeno pueden hacerlo. Además, estos elementos también pueden combinarse para formar enlaces dobles estables de carbono-nitrógeno, carbono-oxígeno, y nitrógeno-oxígeno (Figura 1). Los átomos de silicio no pueden formar enlaces dobles estables entre sí o con otros átomos. Enlaces dobles de silicio-silicio son más débiles que enlaces dobles típicos de carbono-carbono (14-24 kcal/mol comparado a más de 48 kcal/mol) y requieren extremadamente grandes grupos en el átomo de silicio para prevenir reacciones espontáneas con el oxígeno o el agua. Además, enlaces dobles de silicio-silicio no son planos debido a que los átomos de silicio prefieren geometrías piramidales (Figura 1).

Figura 1: Ejemplos de enlaces dobles estables que incluyen carbono y de un enlace doble inestable del silicio.


La capacidad del carbono para formar moléculas planas estables con otros átomos de carbono hace que sea un átomo potente. En una de sus formas más puras, grafito, átomos de carbono forman enlaces con otros tres átomos de carbono. En esta disposición, los átomos de carbono forman láminas u hojas planas (Figura 2, izquierda). En una representación simplificada, cada átomo de carbono está enlazado doblemente a otro átomo de carbono. Estos dobles enlaces son conocidos como enlaces p (pi). Las láminas bidimensionales de átomos de carbono en el grafito se apilan unas encima de las otras. Cuando se apilan, los enlaces pi de una hoja interactúan con los enlaces pi de la otra hoja. Esas interacciones se conocen como apilamiento pi, y son estables; hacen que el agregado de hojas sea más fuerte que las hojas individuales. El diamante es otra forma pura de carbono, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos de carbono y forman una red tridimensional rígida (Figura 2, derecho). En condiciones normales, el grafito es ligeramente más estable que el diamante, debido a las favorables interacciones de apilamiento pi entre las hojas. La energía de estas interacciones entre las láminas de grafito es de aproximadamente 1.4 kcal/mol. Esto significa que las hojas apiladas de carbono son diez veces más estables que las hojas aisladas.

Figura 2: Izquierda: En grafito, los átomos de carbono están ordenados en láminas apiladas. Derecha: En diamante, los átomos de carbono están ordenados en una red tridimensional.


Apilamiento pi es igualmente posible cuando las moléculas planas contienen enlaces dobles entre carbono, nitrógeno, y oxígeno en diversas combinaciones. Las moléculas de la vida son completamente dependientes de las interacciones del apilamiento pi entre componentes atómicamente planos.  Por ejemplo, en el ADN, el apilamiento pi de subunidades llamadas bases es esencial para el auto-ensamblaje de las unidades en la estructura icónica doble hélice (Figura 3, izquierda). Las bases de ADN son anillos planos compuestos de átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno. Las interacciones de apilamiento pi entre las bases de ADN son esenciales para la estabilidad del ADN y para su función como repositorio de información genética. La molécula biológica ARN también contiene bases y es ampliamente reconocido como el precursor molecular a ADN en la génesis de la vida. No es sorprendente que interacciones similares de apilamiento pi son evidentes en la estructura química del ARN (Figura 3, centro). Por último, la inspección de las proteínas revela la importancia de las interacciones de apilamiento pi, tanto dentro de la estructura plegada de proteínas como entre las proteínas y su par de reacción (Figura 3, derecha).

Figura 3: Interacciones apilamiento pi entre las bases planas en las moléculas de la vida. Izquierda: bases planas apiladas en el ADN; Centro: bases planas apiladas en ARN; Derecha: cadenas laterales de proteínas se apilan en una enzima metabólica.


El carbono puede formar enlaces dobles planos y estables y también anillos planos que son necesarios para los procesos de reconocimiento molecular responsable de la vida. El silicio no forma enlaces dobles estables con cualquier átomo: nitrógeno, carbono, oxígeno o incluso a sí mismo. Dado que el silicio no puede formar enlaces dobles estables, no puede formar estructuras atómicamente planas capaces de apilamiento. Un universo bioquímico basado en silicio carecería de la capacidad para el reconocimiento molecular cara a cara a través de apilamiento pi. Sería semejante a un almacén que contiene envases irregulares que no podían ser apilados. Un sistema bioquímico basado en silicio se enfrenta a un reto de diseño serio que no es fácil de superar. Aunque todas las condiciones ambientales necesarias existirían para permitir enlaces con silicio como el constituyente principal de los procesos bioquímicos, silicio siempre se quedará corto. En un mundo donde la vida depende de los procesos moleculares que implican estructuras atómicamente planas, el silicio nunca será capaz de apilar.

 

Bibliografía:

1.  a. Asimov, I. “Big Brother” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. September, 1982. b. Asimov, I. “V. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 61-71.

2.  a. Asimov, I. “Bread and Stone” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. October, 1982. b. Asimov, I. “VI. Bread and Stone” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 72-82.

3.  a. Asimov, I. “VII. A Difference of an E” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. November, 1982. b. Asimov, I. “VII. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 83-94.

4.  a. Asimov, I. “Silicon Life After All” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. December, 1982. b. Asimov, I. “VIII. Silicon Life After All” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 95-108.

5. Iwamoto, T.; Ishida, S. “Multiple Bonds with Silicon: Recent Advances in Synthesis, Structure, and Functions of Stable Disilenes” in Functional Molecular Silicon Compounds II. Scheschkewitz, D., Ed. Structure and Bonding, Vol 156. Springer: Switzerland, 2013. pp. 125-202.

6.  Zacharia, Renju “Chapter 4. Energetics of interlayer binding in graphite.” in Desorption of Gases from Graphitic and Porous Carbon Surfaces. Dissertation. Freie Universtitat Berlin. 2004.

7.  Girifalco, L. A.; Lad, R. A. Lad, J. Chem. Phys., 1956, 25, 693.

8. Winter, N. W.; Ree, F. H. “Stability of the Graphite and Diamond Phases of Finite Carbon Clusters” Detonation Symposium Snowmass, CO August 30 – September 4,1998.

 

 David L. Van Vranken                          Vanessa Arredondo

      Doctor en Química, Profesor Titular           Candidata a Doctora en Química**

Universidad California de Irvine

 

** (Ph.D. 2019)


David L. Van Vranken


David Van Vranken es Profesor de Química en la Universidad de California en Irvine, donde estudia la reactividad química y la aprovecha para la construcción de nuevas moléculas, átomo por átomo y enlace por enlace. Obtuvo su B.S. en Química en la Universidad de Texas en Austin y su Ph.D. en la Universidad de Stanford antes de hacer trabajo postdoctoral en la Universidad de California en Berkeley. Es coautor del libro de texto Introducción a la Química Bioorgánica y la Biología Química.



Vanessa Arredondo

Vanessa Arredondo estudió química en la Universidad de Vanderbilt donde obtuvo su licenciatura en Química.

Ahora estudia la reactividad química con el profesor David Van Vranken en el programa de postgrado de la Universidad de California en Irvine.**



** (Ph.D. 2019)

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