Ränipõhised eluvormid on siiski võimalikud? Esialgu vaid erandina

Hiljuti ilmunud uurimus on esimene, mis näitab, et elusorganisme võib olla võimalik sundida moodustama keemilisi sidemeid räni ja süsiniku vahel. Midagi sellist oli seni õnnestunud teha vaid keemikutel. California tehnikakõrgkooli Caltech teadlased „aretasid“ aga bakteriaalse valgu, mis suudab inimeste tekitatud kunstlikke sidemeid matkida.

Räni-süsiniku sidemega molekule e räniorgaanilisi ühendeid kasutatakse mitme ravimi koostises, aga ka muudes toodetes, nt põllumajanduskemikaalides, värvides, pooljuhtides ning kuvarites ja teleriekraanides. Praegu valmistatakse neid ühendeid sünteetiliselt, kuna looduses räni ja süsiniku vahelisi sidemeid ei esine.

Värske uurimus, mille autorid pälvisid äsja ka Caltechi Dow-nimelise jätkusuutlikkusalase innovatsiooni tudengikonkursi SISCA peapreemia, näitab, et nende sidemete tootmiseks saab siiski kasutada bioloogilisi ressursse, kinnitas Caltechi keemiatehnikauuringute ja biokeemia teaduskonna professor ning žurnaali Science 24. novembri numbris ilmunud töö juhtiv uurija Frances Arnold.

Uurimus on ka esimene, mis annab mõista, et loodus võiks kohaneda ja hõlmata räniaatomeid süsinikupõhiste molekulide — elu ehituskivide — koostisse. Teadlased on ammugi murdnud pead, kas elu Maal oleks võinud kujuneda süsiniku asemel ränipõhiseks. Süsinik ja räni on keemiliselt väga sarnased. Mõlemad suudavad moodustada sidemeid korraga nelja aatomiga, mistõttu sobivad hästi moodustama pikki molekuliahelaid nagu valgud ja DNA, mida kohtame sageli elusorganismides.

„Pole teada ühtegi elusorganismi, mis saaks hakkama räni-süsiniku-sidemete loomisega, ehkki räni leidub meie ümber kõikjal — kivides, rannaliivas, igal pool,“ rääkis prof Arnoldi laboratooriumi juures töötav järeldoktorant ja uurimuse juhtiv autor Jennifer Kan.

Räni on maakoores teine kõige levinum element.

Uurijad kasutasid nn suunatud evolutsiooni (ingl directed evolution) meetodit, mille juba 1990. aastal töötas välja seesama prof Arnold. Sisuliselt tähendab see paremate ensüümide laboratoorset tootmist kunstliku valiku abil samamoodi nagu geneetilise aretustööga muudetakse nt maisi, veiste või kasside tõuomadusi. Ensüümid on sellised valgud, mis katalüseerivad e soodustavad mitmesuguseid keemilisi reaktsioone.

Evolutsiooniprotsessi seesugune juhtimine algab ensüümist, mille omadusi teadlased soovivad täiendada. Ensüümi koodivat DNA-d muudetakse enam-vähem juhuslikel viisidel; nii tekkinud uusi ensüüme analüüsitakse lootuses leida neil soovitud omadusi. Kõige parema tulemuse andnud ensüümi muundatakse seejärel uuesti; protsessi korratakse, kuni tulemuseks on ensüüm, mis määratud ülesandega märksa paremini hakkama saab kui esialgne ensüüm.

Räni-süsiniku-sidemeid tekitava valgu ideaalseks kandidaadiks osutus ühelt Islandi kuumaveeallikates elutsevalt bakterilt saadud valk. Too valk nimega tsütokroom c (ingl cytochrome c; CYTC) tegeleb muidu elektronide edasi-tagasi toimetamisega teiste valkude vahel, kuid uurijad avastasid, et juhtumisi saab see madalate kontsentratsioonide juures hakkama ka süsiniku ja räni vaheliste keemiliste sidemete tekitamisega.