Magnetisme kan have givet livet dets molekylære asymmetri | Quanta Magasinet

I 1848, da Louis Pasteur var en ung kemiker, der stadig var år væk fra at opdage, hvordan man steriliserer mælk, opdagede han noget ejendommeligt ved krystaller, der ved et uheld blev dannet, da en industrikemiker kogte vin for længe. Halvdelen af ​​krystallerne var genkendelig vinsyre, et industrielt nyttigt salt, der voksede naturligt på væggene af vintønder. De andre krystaller havde nøjagtig samme form og symmetri, men den ene flade var orienteret i den modsatte retning.

Forskellen var så stor, at Pasteur kunne adskille krystallerne under en forstørrelseslinse med en pincet. "De er i forhold til hinanden, hvad et billede er, i et spejl, i forhold til den ægte vare," skrev han i en avis samme år.

Selvom Pasteur ikke vidste det, var han i vinens krystalliserede dråber stødt over et af de dybeste mysterier om livets oprindelse på Jorden.

Det, han så, var en blanding af vinsyremolekyler, der havde identiske atomsammensætninger og spejlbilleder af disse atomer i rummet. De havde den egenskab, der senere blev kaldt "kiralitet" efter det græske ord for "hånd": Ligesom vores venstre og højre hånd er symmetriske modsætninger af hinanden, er de venstre- og højrehåndede versioner (eller enantiomerer) af vinsyremolekylerne distinkt og ikke-ækvivalent.

Betydningen af ​​Pasteurs observation gik ud over opdagelsen af ​​chiralitet - der var også den bemærkelsesværdige grund til, at han så det. De syntetiske krystaller var en blanding af vinsyre-enantiomererne, fordi kogningsprocessen tillod venstre- og højrehåndede versioner at danne i lige mange. Men i de naturlige krystaller fra vintønder var alle vinsyremolekylerne højrehåndede - fordi de druer, der blev brugt til vinen, plukket fra levende vinstokke, kun lavede den enantiomer.

Kiralitet er en signatur på livet, som vi kender det. Igen og igen har biokemikere fundet ud af, at når levende celler bruger chirale molekyler, bruger de udelukkende én chiralitet. De sukkerarter, der udgør DNA, er for eksempel alle højrehåndede. Aminosyrerne, der udgør proteiner, er alle venstrehåndede. Hvis de forkerte enantiomerer glider ind i lægemidler, kan virkningerne nogle gange være giftige eller endda dødelige.

En eller anden begivenhed eller række af begivenheder tidligt i livets historie må have "brudt spejlet", som biokemikere udtrykte det, og kastet liv ind i molekylær asymmetri. Forskere har diskuteret, hvorfor livet blev homochiralt, og om det var nødvendigt at ske, eller om det rent var et lykketræf. Blev chirale præferencer imponeret på det tidlige liv af partiske prøver af molekyler, der ankom fra rummet, eller udviklede de sig på en eller anden måde ud af blandinger, der startede som lige dele højre- og venstrehåndede?

"Forskere er blevet mystificeret af denne observation," sagde Soumitra Athavale, en assisterende professor i organisk kemi ved University of California, Los Angeles. "De er kommet med alle mulige forslag gennem årene, men det er svært at komme med forslag, som faktisk er relevante geologisk." Desuden, mens mange teorier kunne forklare, hvorfor en type molekyle kunne være blevet homochiral, forklarede ingen af ​​dem, hvorfor hele netværk af biomolekyler gjorde det.

For nylig udgav en gruppe på Harvard University en række artikler, der præsenterer en spændende løsning på, hvordan livets homokiralitet opstod. De antyder, at magnetiske overflader på mineraler i vandmasser på den oprindelige Jord, opladet af planetens magnetfelt, kunne have fungeret som "chirale midler", der tiltrak nogle former for molekyler mere end andre, hvilket satte gang i en proces, der forstærkede chiraliteten af biologiske molekyler, fra RNA-prækursorer hele vejen til proteiner og videre. Deres foreslåede mekanisme ville forklare, hvordan en skævhed i sammensætningen af ​​visse molekyler kunne have fosset udad for at skabe et stort netværk af chiral kemi, der understøtter liv.

Det er ikke den eneste plausible hypotese, men "det er en af ​​de fedeste, fordi det binder geofysik til geokemi, til præbiotisk kemi [og] i sidste ende til biokemi," sagde Gerald Joyce, en biokemiker og præsident for Salk Institute, som ikke var involveret i undersøgelsen. Han er også imponeret over, at hypotesen understøttes af "faktiske eksperimenter", og at "de gør dette under realistiske forhold."

CISS-effekten

Rødderne til den nye teori om homokiralitet rækker næsten et kvart århundrede tilbage til hvornår Ron Naaman, en professor i kemisk fysik ved Weizmann Institute of Science i Israel, og hans team opdagede en kritisk effekt af chirale molekyler. Deres arbejde fokuserede på det faktum, at elektroner har to nøgleegenskaber: De bærer en negativ ladning, og de har "spin", en kvanteegenskab analog med iboende rotation med uret eller mod uret. Når molekyler interagerer med andre molekyler eller overflader, kan deres elektroner omfordele sig selv og polarisere molekylerne ved at skabe en negativ ladning på deres destination og en positiv ladning ved deres udgangspunkt.

Naaman og hans team opdagede, at chirale molekyler filtrerer elektroner baseret på retningen af ​​deres spin. Elektroner med én spin-orientering vil bevæge sig mere effektivt hen over et chiralt molekyle i den ene retning end den anden. Elektroner med det modsatte spin bevæger sig mere frit den anden vej.

For at forstå hvorfor, forestil dig at smide en frisbee, der kigger ned fra væggen i en gang. Hvis frisbeen rammer den højre væg, vil den kun hoppe fremad, hvis den roterer med uret; ellers vil den hoppe tilbage. Det modsatte vil ske, hvis du slår frisbeen af ​​den venstre væg. På samme måde "spreder chirale molekyler elektronerne i henhold til deres rotationsretning," sagde Naaman. Han og hans team kaldte dette fænomen den chiral-inducerede spinselektivitet (CISS) effekt.

På grund af denne spredning ender elektroner med et givet spin med at aggregere ved den ene pol af et chiralt molekyle (og de højrehåndede og venstrehåndede versioner af molekylet samler modsatte spins ved deres respektive poler). Men den omfordeling af spins påvirker, hvordan de chirale molekyler interagerer med magnetiske overflader, fordi elektroner, der spinder i modsatte retninger, tiltrækker hinanden, og de, der spinder i samme retning, frastøder hinanden.

Når et chiralt molekyle nærmer sig en magnetisk overflade, vil det følgelig blive trukket tættere på, hvis molekylet og overfladen har modsatte spin-forspændinger. Hvis deres spins matcher, vil de frastøde hinanden. (Fordi andre kemiske vekselvirkninger også foregår, kan molekylet ikke blot vende for at justere sig selv.) Så en magnetisk overflade kan fungere som et chiralt middel, fortrinsvis interagere med kun én enantiomer af en forbindelse.

I 2011, i samarbejde med et team på universitetet i Münster i Tyskland, Naaman og hans team målte spin af elektroner, da de bevægede sig gennem dobbeltstrenget DNA, hvilket bekræfter, at CISS-effekten er både reel og stærk.

Det var da forskningen i effekten og dens mulige anvendelser "begyndte at boome," sagde Naaman. Han og hans team udviklede for eksempel flere måder at bruge CISS-effekten til at fjerne urenheder fra biomedicin eller til at udelukke de forkerte enantiomerer fra lægemidler for at forhindre større bivirkninger. De har også undersøgt, hvordan CISS-effekten kan hjælpe med at forklare anæstesimekanismer.

Men de begyndte først at arbejde seriøst på ideen om, at CISS-effekten spiller en rolle i stigningen i biologisk homokiralitet, efter at de blev inviteret til at samarbejde om en hypotese af et team på Harvard ledet af astronomen Dimitar Sasselov og hans kandidatstuderende S. Furkan Ozturk.

Et fysikperspektiv

Ozturk, den unge hovedforfatter på de seneste aviser, stødte på homokiralitetsproblemet i 2020, da han var fysikstuderende ved Harvard. Da han var utilfreds med sin forskning i kvantesimuleringer ved hjælp af ultrakolde atomer, bladrede han gennem et videnskabeligt magasin, der beskriver 125 af de største mysterier i verden og lærte om homochiralitet.

"Det lignede virkelig et fysikspørgsmål, fordi det handler om symmetrier," sagde han. Efter at have nået ud til Sasselov, som er direktør for Harvards Origins of Life Initiative, og som allerede var interesseret i spørgsmålet om homokiralitet, skiftede Ozturk til at blive studerende i sit laboratorium.

Ozturk og Sasselov fik snart en idé baseret på CISS-effekten. De forestillede sig et oprindeligt miljø som en lavvandet sø, hvor der var overflader fulde af magnetiske mineraler, og vandet indeholdt en blanding af chirale forstadier til nukleotider. De teoretiserede, at ultraviolet lys kunne have udstødt mange elektroner fra de magnetiske overflader, og mange af disse elektroner ville have haft det samme spin. De udstødte elektroner kan så have interageret fortrinsvis med specifikke enantiomerer, og de resulterende kemiske reaktioner kan så fortrinsvis have samlet højrehåndede RNA-precursorer.

I april 2022 rejste Ozturk til Naamans laboratorium i Israel, begejstret over udsigten til at teste deres hypotese. Hans begejstring var kortvarig. I løbet af den næste måned, da han arbejdede med Naaman, faldt ideen fra hinanden. Det "virkede ikke," sagde Ozturk, og så vendte han modløs hjem.

Men så fik Ozturk en anden idé. Hvad hvis CISS-effekten ikke manifesterede sig som en kemisk proces, men som en fysisk?

Naamans gruppe havde vist, at de kunne bruge magnetiske overflader til fortrinsvis at krystallisere enantiomerer. Og krystallisation ville være den nemmeste måde for oprensede samlinger af enantiomerer at samle. Ozturk nævnte det John sutherland, deres samarbejdspartner ved MRC Laboratory of Molecular Biology i Storbritannien "Og jeg sagde, drop alt, hvad der har med elektroner at gøre, og fokuser bare på krystalliseringen," sagde Sutherland.

Sutherland var begejstret for krystalliseringsaspektet, fordi han og hans team allerede uafhængigt havde opdaget, at en RNA-precursor kaldet ribo-aminooxazolin (RAO) kan syntetisere to af de fire byggesten i RNA. RAO "krystalliserer smukt," sagde Sutherland. Når først et krystalfrø dannes fra enantiomeren, der tiltrækkes til overfladen, vokser krystallen fortrinsvis ved at inkorporere mere af den samme enantiomer.

Ozturk husker, at Sutherland fortalte ham, at det ville være "game over", hvis CISS-effektideen virkede. "Fordi det var så enkelt," sagde Ozturk. "Det var at gøre det på et molekyle, der var så centralt for oprindelsen af ​​livskemi, at hvis du kan klare at gøre det molekyle homochiralt, kan du gøre hele systemet homochiralt."

Ozturk kom til at arbejde i Harvard-laboratoriet. Han satte magnetitoverflader på en petriskål og fyldte den med en opløsning indeholdende lige store mængder venstrehåndede og højrehåndede RAO-molekyler. Derefter satte han fadet på en magnet, satte eksperimentet i køleskabet og ventede på, at de første krystaller dukkede op. Først fandt holdet ud af, at 60% af krystallerne var enehånds. Da de gentog processen, var deres krystaller 100% af den samme chiralitet.

Som de rapporterede i en undersøgelse offentliggjort i juni i Science Forskud, hvis de magnetiserede overfladen på én måde, skabte de krystaller, der var rent højrehåndede; hvis de magnetiserede det den anden vej, var krystallerne rent venstrehåndede. "Jeg var meget overrasket, fordi jeg er super fortrolig med eksperimenter, der ikke virker," sagde Ozturk. Men denne "fungerede som en charme."

Bag sit skrivebord opbevarer Ozturk den tomme flaske champagne, som Sasselov og holdet delte ved en festlig middag.

Multiplicer og forstærk

Men de havde stadig et stort problem: Den magnet, de brugte i deres eksperiment, var omkring 6,500 gange stærkere end Jordens magnetfelt.

Så Ozturk vendte tilbage til Weizmann Instituttet i november sidste år, og han og Naaman arbejdede derefter på et opfølgende eksperiment, hvor de slet ikke brugte et eksternt magnetfelt. I stedet fandt de ud af, at når de chirale molekyler blev adsorberet på de magnetiske overflader, skabte de et stærkt lokalt magnetfelt over overfladen, der var op til 50 gange så stærkt som Jordens magnetfelt. Deres resultater er blevet accepteret af et peer-reviewed tidsskrift, men endnu ikke offentliggjort.

"Du tvinger nabolaget til at blive magnetiseret, hvilket gør det endnu nemmere for krystallerne at blive ved med at dannes," sagde Joyce. Den selvforstærkende effekt gør scenariet plausibelt, tilføjede han.

Athavale er enig. Det faktum, at du ikke behøver et stærkt magnetisk felt for at CISS-effekten kan opstå, er "virkelig rart, for nu har du set en mulig geologisk indstilling," sagde han.

Men den virkelige nøgle til at skabe homokiralitet er at se på, hvordan effekten kunne være blevet forstærket på tværs af et netværk af interagerende molekyler. "Det vigtigste aspekt af alt dette er ikke, at vi formåede at finde endnu en måde at få et chiralt produkt på," sagde Sasselov, men at hans gruppe havde fundet en vej til at skabe et homochiralt netværk.

I et papir på forsiden af Journal of Chemical Physics i august foreslog Ozturk, Sasselov og Sutherland en model for, hvordan chiral information kan forplante sig på tværs af et præbiotisk netværk. Sutherland og hans gruppe havde tidligere vist, at analoger af højrehåndede overfører RNA-molekyler - som binder aminosyrer og bringer dem til ribosomet for at lave proteiner - linker til venstrehåndede aminosyrer 10 gange hurtigere end til højrehåndede. Fundet tyder på, at chiralt RNA fortrinsvis fremstiller proteiner af den modsatte chiralitet, som det ses i naturen. Som forskerne skrev i papiret: "Derfor kan det biologiske homochiralitetsproblem reduceres til at sikre, at en enkelt fælles RNA-precursor (f.eks. RAO) kan gøres homochiral."

Undersøgelsen forklarede ikke direkte, hvorfor livets foretrukne nukleotider er højrehåndede, og dets aminosyrer er venstrehåndede, sagde Ozturk. Men disse nye resultater tyder på, at den afgørende faktor var magnetiseringen induceret af Jordens felt. Athavale bemærkede, at selv hvis krystalliseringsprocessen fandt sted i 100 ursøer, ville Jordens magnetfelt sikre, at de alle producerede forstadier med samme håndværk snarere end en blanding.

Joyce bemærkede, at der er et "fedt lille twist", hvis magnetfeltet gav en sådan skævhed: Hvis livet startede på den nordlige halvkugle og favoriserede molekyler med én hånd, så ville det have vist den modsatte hånd, hvis det var opstået på den sydlige halvkugle.

Udbredelsen af ​​chiralitet mellem familier af molekyler er stadig meget hypotetisk, bemærkede Athavale, selvom det er godt at få folk til at tænke. Sasselov er enig. "Ideen med dette papir er at motivere folk til at gå og lave disse eksperimenter," sagde han.

Wentao Ma, en forsker i livets oprindelse ved Wuhan University i Kina, sagde, at de nye artikler markerer "interessante fremskridt." Men han ville være nødt til at se CISS-effekten føre til polymerisering af RNA for at se det som et komplet svar. "Hvis de kan opnå dette resultat, tror jeg, vi ikke er langt væk fra ... løsningen," sagde han.

"Jeg kan virkelig godt lide CISS-effekten," sagde Noémie Globus, en astrofysiker, der arbejder på homokiralitetsproblemet. Hvad der ville være mere overbevisende, sagde hun, ville være for forskerne at kontrollere, om meteoritter, der indeholder et overskud af aminosyrer med en særlig håndfasthed (som er blevet fundet før), også indeholder overskydende magnetiske partikler. Hun bemærkede også, at forskellige teoretiserede mekanismer alle kunne have skabt homokiralitet i forskellige molekyler.

Jeffrey Bada, en emeritus professor ved Scripps Institution of Oceanography ved University of California, San Diego, er skeptisk over for ideen. Han tror ikke på, at RNA kunne være blevet syntetiseret under primordiale forhold som det første selvreplikerende molekyle. "Ingen har lavet RNA i en præbiotisk sammenhæng," sagde han, fordi der er for mange problemer med molekylets stabilitet.

Sutherlands team arbejder stadig på at vise, at de to andre typer nukleotider kan laves ud fra RNA-precursor-molekylet. "Jeg tror, ​​vi er temmelig tæt på," sagde Sutherland. "Men min gruppe vil fortælle dig, at jeg har sagt det i 22 år."

Uanset om CISS-effekten repræsenterer løsningen, en del af løsningen eller slet ingen løsning, er der indlysende næste skridt til at teste den. "Den har alle aspekterne af en god hypotese, hvor du kommer med noget kreativt, noget, der er muligt, og så noget, som i sidste ende kan testes," sagde Athavale. Det mest overbevisende næste skridt, mener han, ville være at vise geologiske beviser for, at processen kunne være sket uden for laboratoriet.

I løbet af et Zoom-opkald holdt Ozturk en flad sort sten op, som han havde samlet op på en rejse til Australien, et sted fyldt med magnetiske jernsten, som han håber at kunne replikere sine eksperimenter på. Han ønsker også at gøre fremtidige tests af ideen mere dynamiske: De oprindelige søer, hvor han tror, ​​at de tidlige dannede molekyler ville have haft strømme og strømme af materiale, såvel som naturlige "våd-tørre" cyklusser drevet af regn og høje temperaturer, som ville tillade krystaller at dannes og opløses, dannes og opløses.

Redaktionel note: Sasselov og hans gruppe, såvel som Joyce og Sutherland, har modtaget støtte fra Simons Foundation, som også finansierer dette redaktionelt uafhængigt blad. Simons Fondens finansieringsbeslutninger har ingen indflydelse på vores dækning.