Кремний-фосфор. 
Стабилизация мРНК злаков in vitro под влиянием кремния

Вместе с тем в периодической системе элементов Д. И. Менделеева кремний находится в одном ряду непосредственно перед фосфором. Оба элемента относятся к главным подгруппам своих групп.

In vivo у животных участие кремния в метаболизме фосфолипидов проявляется, например, в том, что в их составе он может частично замещать фосфор.

Микроскопический грибок Aspergillus niger хорошо растёт в среде, где отсутствует фосфор, усваивая кремниекислоту, и, наоборот, в присутствии неорганических фосфатов потребление кремния замедляется.

В клетках бактерии Proteus mirabilis кремний (Si) конкурирует с фосфором (P). Если бактерии культивировать в кремнийсодержащей среде в отсутствии фосфора, то фосфор, входящий в их состав, постепенно замещается кремнием. Кремний поступает в клетки этих бактерий в виде аниона силиката или в форме соединения с фосфоглицериновым альдегидом и частично связывается через атом азота с белками, аминокислотами и аминосахарами, а также с углеводами посредством образования связи Si-O-C. Инкубация клеток Proteus mirabilis в среде, содержащей глюкозу и силикат натрия (Na2SiO3Ч9H2O) приводит к образованию соединений, включающих связи типа Si-OH, Si-C, Si-H и Si-O-C.

Кремний, наряду с фосфором, является основой макроэргических соединений. В живых организмах он входит в состав макроэргических силикатофосфатов, что обусловливает большую эффективность биоэнергетики кремниефильных растений. Сообщалось, что кремний может замещать фосфор в таких биологически значимых фосфатах и нуклеотидах, как фосфоглицериновый альдегид, НАДФ, ФАД, и ATФ и в рибонуклеиновых кислотах. Сообщение о РНК относится к 1956 году (Schwarz R., Baronetzky E. // Naturwiss. 1956. Bd.43. S. 68−70) [14 ].

Ярким представителем кремниефильных растений является рис, у которого кремний присутствует практически во всех тканях растения. Этот элемент обнаружен в значительных количествах в высокоочищенных препаратах нуклеиновых кислот, а также в митохондриях, пластидах и других органоидах клетки.

Высокая потенциальная продуктивность риса по сравнению с иными злаками связывают с более активным использованием кремния в биоэнергетических процессах, протекающих с участием нуклеиновых кислот и митохондрий. Существуют предположения, что этот элемент может входить в состав нуклеотидов и тем самым образовывать в скелете нуклеиновых кислот сахаросиликатные участки, придавая им повышенную прочность. В растениях также функционирует специфический фермент силиказа, осуществляющий включение неорганического кремния в органические соединения [30].

Предполагается, что в нуклеиновых кислотах риса кремний способен заменить фосфор (в ДНК риса соотношение P/Si 7:1!), что приводит к стабилизации ДНК и РНК, так как связь Si-O-C более прочная, чем P-O-C. Эти предположения были сделаны в СССР в начале 80-ых годов XX века [1−4].

Спустя 30 лет аналогичная история произошла в США с попыткой торпедировать основы биоорганической химии нуклеиновых кислот утверждением, что атомы мышьяка способны заменять фосфор в составе ДНК.

В 2011 году в журнале Science появилась сенсационная статья о том, что американская исследовательница Фелиса Волф-Саймон вместе с коллегами выделила из образцов калифорнийского озера Моно, вода которого обогащена солями мышьяка, необыкновенную галофильную (солелюбивую) бактерию (Halomonas, штамм GFAJ-1) в ДНК которой, по мнению авторов, атомы фосфора (P) были заменены на атомы мышьяка (As) [13, 32].

Несмотря на то, что оба элемента относятся к одной пятой группе таблицы Д. И. Менделеева и химические свойства у них сходны, эта находка подрывала основы биоорганической химии нуклеиновых кислот, потому что эфиры мышьяковой кислоты в физиологических условиях гидролизуются гораздо легче, чем эфиры фосфорной кислоты, а значит, каждый мышьяк вместо фосфора — готовая точка разрыва в ДНК. Кроме того, радиус атома мышьяка больше, чем у фосфора, связи его с кислородом на 13% длиннее — после таких даже точечных замен двойная спираль должна утратить форму, с ней не смогут работать никакие ферменты, обслуживающие ДНК.

Эти теоретические возражения были подтверждены экспериментально. Высокополимерная ДНК, когда её осаждают из водного раствора этиловым спиртом, имеет вид волокнисто-студенистого комка, который обычно называют «медузой». Такая ДНК может нести на себе катионы металлов, не специфически адсорбированные из окружающей среды в ходе выделения. Фелисса Волф-Саймон с соавторами исследовали методом масс-спектрометрии ДНК, вырезанную из агарозного геля после электрофореза, не очистив её даже от агарозы. Такой препарат ДНК мог нести не специфически адсорбированные катионы металлов.

Другая американская исследовательница — Розмэри Редфилд, лаборатория которой занималась бактериальной ДНК, была среди самых строгих критиков Фелиссы Волф-Саймон и её соавторов. Она привлекла к очистке ДНК метод ультрацентрифугирования в градиенте хлористого цезия (CsCl), позволяющий разделить молекулы ДНК по плотности, с последующей масс-спектрометрией различных фракций ДНК из GFAJ-1 на содержание мышьяка. И доказала, что мышьяка в этой ДНК нет [13, 33].

Заканчивается ли на этом история о мышьяке в ДНК? Время покажет.

Однако, упомянутые выше теоретические возражения вполне уместны и в случае предполагаемого присутствия кремния в нуклеиновых кислотах риса. Более того, если в случае фосфора и мышьяка оба элемента относятся к одной пятой группе таблицы Д. И. Менделеева и химические свойства у них сходны, то фосфор и кремний находятся в разных группах (4-я и 3-я, соответственно) и различия между ними намного больше, чем между фосфором и мышьяком. К сожалению, в этом случае никто не провёл исследований подобных описанным в работе Розмэри Редфилд. Так что эта гипотеза ещё ждёт своих энтузиастов.