Des cellules vivantes associent le silicium et le carbone pour la première fois
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Les scientifiques ont réussi à “persuader” une bactérie de créer des liens silicium-carbone.
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Une nouvelle étude est la première à montrer que des organismes vivants peuvent être persuadés de créer des liens silicium-carbone, un processus que seuls les chimistes réussissaient à faire. Les scientifiques de Caltech ont “croisé” une protéine bactérienne pour créer ces liens et cette réussite possède des applications dans plusieurs industries. Les molécules avec du silicium-carbone ou organosilicium sont des composants qu’on trouve dans l’industrie pharmaceutique, les substances chimiques agricoles, les peintures, les semiconducteurs, les ordinateurs et les télévisions. Actuellement, on synthétise ces produits puisque le lien silicium-carbone n’est pas présent dans la nature. La nouvelle étude suggère que la biologie peut être utilisée pour fabriquer ces liens avec une technique moins chère et moins nocive pour l’environnement.
Nous avons “demandé” à la nature de faire une chose qui était uniquement possible par les chimistes selon Frances Arnold, professeure à Caltech et principale analyste dans la nouvelle recherche qui est publiée dans la revue Science.1 L’étude est également la première à montrer que la nature peut s’adapter pour incorporer le silicium dans des molécules basées sur le carbone qui sont les briques élémentaires de la vie. Les scientifiques se sont demandé si la vie sur Terre a pu évoluer à partir du silicium au lieu de carbone. Les auteurs de science-fiction ont souvent imaginé des mondes avec une vie basée sur le silicium comme les créatures surnommées comme les Horta dans un épisode de Star Trek. Le carbone et le silicium sont très similaires sur le plan chimique. Ils peuvent former des liens à 4 atomes en même temps afin qu’ils soient adaptés pour former la longue chaine de molécules qu’on trouve dans la vie telle que les protéines et l’ADN.
On ne connait aucun organisme qui possède des liens silicium-carbone alors que le silicium est tellement abondant dans la nature selon Jennifer Kan, une postdoc dans le laboratoire d’Arnold et principale auteure de l’étude. Le silicium est le second élément le plus abondant dans la croute terrestre. Les chercheurs ont utilisé une méthode connue comme l’évolution dirigée qui a été étudié par Arnold dans les années 1990 dans laquelle de meilleures enzymes sont crée dans les laboratoires par la sélection artificielle et c’est similaire à la manière dont les éleveurs modifient le maïs, les vaches ou les chats.2 Les enzymes sont une classe de protéines qui catalyse ou facilite les réactions chimiques.
Le processus de l’évolution dirigée commence avec une enzyme que les scientifiques veulent améliorer. Le codage de l’ADN pour l’enzyme mute de manière plus ou moins aléatoire et les enzymes résultantes sont testées pour une caractéristique désirée. La meilleure enzyme subit de nouveau une mutation et le processus est répété jusqu’à ce que l’enzyme soit plus performante que la première qui a été créée. L’évolution dirigée est utilisée depuis des années pour créer des enzymes pour des produits domestiques tels que les détergents et les processus recyclables dans la pharmacologie, l’agriculture et les carburants.
Dans cette nouvelle recherche, l’objectif n’était pas seulement d’améliorer la fonction biologique de l’enzyme, mais de la persuader de faire quelque chose qui n’a jamais été fait auparavant. La première étape a été de construire une candidate viable, une enzyme qui a le potentiel de créer des liens silicium-carbone.
La candidate idéale se trouve être une protéine d’une bactérie qui se développe pendant le printemps en Islande. Cette protéine, connue comme la cytochrome c, transporte normalement les électrons vers d’autres protéines, mais les chercheurs ont découvert qu’elle peut fonctionner comme une enzyme qui crée des liens silicium-carbone à de faibles niveaux. Les scientifiques ont muté le codage ADN dans une région qui spécifie une portion contenant du fer de la protéine qui est responsable de l’activité pour la formation du silicium-carbone. Ensuite, ils ont testé leurs enzymes mutantes pour leur capacité à créer des organosilicon qui soient plus performants que les originaux.
Après seulement 3 rounds, ils ont créé une enzyme qui fabrique des liens silicium-carbone qui sont 15 fois plus efficaces que le meilleur catalyseur inventé par les chimistes. De plus, l’enzyme est hautement sélective et cela signifie qu’elle crée moins de sous-produits indésirables. Ce catalyseur génétiquement modifié est non toxique, moins cher et il est plus facile à modifier que les autres catalyseurs qu’on utilise dans la synthèse chimique selon Kan. On peut également déclencher la réaction à température ambiante et dans l’eau.
Le processus synthétique pour créer des liens silicium-carbone utilise souvent des métaux précieux et des solvants toxiques et il nécessite un traitement supplémentaire pour supprimer les sous-produits. Et à la question si la nature peut évoluer pour fabriquer du silicium par ses propres moyens. Arnold nous répond que c’est à la nature de décider. Notre étude montre que la nature peut s’adapter à une vitesse foudroyante pour surmonter de nouveaux défis. La machinerie catalytique de la cellule peut apprendre rapidement à promouvoir de nouvelles réactions chimiques quand nous fournissons de nouveaux réactifs et l’incitation appropriée sous forme de sélection artificielle. C’est un jeu d’enfant pour la nature si elle voulait vraiment le faire.
Une vidéo qui montre une animation d’une enzyme qui fabrique un lien silicium-carbone :
