Magnetismus könnte dem Leben seine molekulare Asymmetrie verliehen haben | Quanta-Magazin

Im Jahr 1848, als Louis Pasteur als junger Chemiker noch Jahre davon entfernt war, die Sterilisation von Milch zu entdecken, entdeckte er etwas Merkwürdiges über Kristalle, die sich versehentlich bildeten, als ein Industriechemiker Wein zu lange kochte. Die Hälfte der Kristalle bestand erkennbar aus Weinsäure, einem industriell nützlichen Salz, das auf natürliche Weise an den Wänden von Weinfässern wuchs. Die anderen Kristalle hatten genau die gleiche Form und Symmetrie, aber eine Seite war in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet.

Der Unterschied war so groß, dass Pasteur die Kristalle unter einer Lupe mit einer Pinzette trennen konnte. „Sie sind im Verhältnis zueinander das, was ein Bild im Spiegel im Verhältnis zur Realität ist“, schrieb er in diesem Jahr in einem Artikel.

Obwohl Pasteur es nicht wusste, war er im kristallisierten Bodensatz dieses Weins auf eines der tiefsten Geheimnisse über den Ursprung des Lebens auf der Erde gestoßen.

Was er sah, war eine Mischung aus Weinsäuremolekülen mit identischer Atomzusammensetzung und spiegelbildlicher Anordnung dieser Atome im Raum. Sie besaßen die Eigenschaft, die später nach dem griechischen Wort für „Hand“ „Chiralität“ genannt wurde: So wie unsere linke und rechte Hand symmetrische Gegensätze zueinander sind, sind es auch die links- und rechtshändigen Versionen (oder Enantiomere) der Weinsäuremoleküle eindeutig und nicht gleichwertig.

Die Bedeutung von Pasteurs Beobachtung ging über die Entdeckung der Chiralität hinaus – es gab auch den bemerkenswerten Grund, warum er sie sah. Die synthetischen Kristalle waren eine Mischung der Weinsäure-Enantiomere, da sich durch den Siedeprozess links- und rechtsdrehende Versionen in gleicher Zahl bildeten. Aber in den natürlichen Kristallen aus Weinfässern waren alle Weinsäuremoleküle rechtsdrehend – weil die für den Wein verwendeten Trauben, die von lebenden Reben gepflückt wurden, nur dieses Enantiomer bildeten.

Chiralität ist eine Signatur des Lebens, wie wir es kennen. Biochemiker haben immer wieder herausgefunden, dass lebende Zellen, wenn sie chirale Moleküle verwenden, ausschließlich eine Chiralität nutzen. Die Zucker, aus denen beispielsweise die DNA besteht, sind alle rechtshändig. Die Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen, sind alle linkshändig. Wenn die falschen Enantiomere in Arzneimittel gelangen, kann die Wirkung manchmal toxisch oder sogar tödlich sein.

Ein Ereignis oder eine Reihe von Ereignissen zu Beginn der Lebensgeschichte muss „den Spiegel zerbrochen“ haben, wie Biochemiker es ausdrücken, und das Leben in eine molekulare Asymmetrie gestürzt haben. Wissenschaftler haben darüber diskutiert, warum das Leben homochiral wurde und ob dies notwendig war oder ob es nur ein Zufall war. Wurden chirale Präferenzen dem frühen Leben durch verzerrte Proben von Molekülen eingeprägt, die aus dem Weltraum eintrafen, oder entwickelten sie sich irgendwie aus Mischungen, die zu gleichen Teilen rechts- und linkshändig waren?

„Wissenschaftler waren von dieser Beobachtung verwirrt“, sagte er Soumitra Athavale, Assistenzprofessor für organische Chemie an der University of California, Los Angeles. „Sie haben im Laufe der Jahre alle möglichen Vorschläge gemacht, aber es ist schwierig, Vorschläge zu unterbreiten, die tatsächlich geologisch relevant sind.“ Darüber hinaus könnten viele Theorien erklären, warum ein Molekültyp homochiral geworden sein könnte, aber keine von ihnen erklärt, warum ganze Netzwerke von Biomolekülen homochiral geworden sind.

Kürzlich veröffentlichte eine Gruppe an der Harvard University eine Reihe von Arbeiten, die eine faszinierende Lösung für die Entstehung der Homochiralität des Lebens präsentieren. Sie legen nahe, dass magnetische Oberflächen auf Mineralien in Gewässern der Urerde, die durch das Magnetfeld des Planeten aufgeladen wurden, als „chirale Agenten“ gedient haben könnten, die einige Formen von Molekülen stärker anzogen als andere und so einen Prozess in Gang setzten, der die Chiralität verstärkte biologische Moleküle, von RNA-Vorläufern bis hin zu Proteinen und darüber hinaus. Ihr vorgeschlagener Mechanismus würde erklären, wie sich eine Verzerrung im Aufbau bestimmter Moleküle kaskadierend nach außen ausgewirkt haben könnte, um ein riesiges Netzwerk chiraler Chemie zu schaffen, das das Leben unterstützt.

Es ist nicht die einzige plausible Hypothese, aber „eine der coolsten, weil sie Geophysik mit Geochemie, präbiotischer Chemie und letztendlich mit Biochemie verbindet“, sagte er Gerhard Joyce, ein Biochemiker und Präsident des Salk Institute, der nicht an der Studie beteiligt war. Er ist auch beeindruckt, dass die Hypothese durch „echte Experimente“ gestützt wird und dass „sie dies unter realistischen Bedingungen tun“.

Der CISS-Effekt

Die Wurzeln der neuen Theorie der Homochiralität reichen fast ein Vierteljahrhundert zurück Ron Naaman, Professor für chemische Physik am Weizmann Institute of Science in Israel, und sein Team entdeckten einen entscheidenden Effekt chiraler Moleküle. Ihre Arbeit konzentrierte sich auf die Tatsache, dass Elektronen zwei Schlüsseleigenschaften haben: Sie tragen eine negative Ladung und sie haben „Spin“, eine Quanteneigenschaft, die der intrinsischen Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn entspricht. Wenn Moleküle mit anderen Molekülen oder Oberflächen interagieren, können sich ihre Elektronen neu verteilen und die Moleküle polarisieren, indem sie an ihrem Ziel eine negative Ladung und an ihrem Ausgangspunkt eine positive Ladung erzeugen.

Naaman und sein Team entdeckten, dass chirale Moleküle Elektronen anhand der Richtung ihres Spins filtern. Elektronen mit einer Spinorientierung bewegen sich effizienter durch ein chirales Molekül in die eine Richtung als in die andere. Elektronen mit entgegengesetztem Spin bewegen sich freier in die andere Richtung.

Um zu verstehen, warum, stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Frisbee, der von der Wand eines Flurs abprallt. Trifft die Frisbee-Scheibe auf die rechte Wand, springt sie nur dann nach vorne, wenn sie sich im Uhrzeigersinn dreht; andernfalls springt es nach hinten. Das Gegenteil passiert, wenn Sie das Frisbee von der linken Wand schlagen. In ähnlicher Weise „streuen chirale Moleküle die Elektronen entsprechend ihrer Rotationsrichtung“, sagte Naaman. Er und sein Team nannten dieses Phänomen den chiral-induzierten Spin-Selektivitätseffekt (CISS).

Aufgrund dieser Streuung aggregieren Elektronen mit einem bestimmten Spin schließlich an einem Pol eines chiralen Moleküls (und die rechts- und linkshändigen Versionen des Moleküls sammeln an ihren jeweiligen Polen entgegengesetzte Spins). Diese Neuverteilung der Spins beeinflusst jedoch die Wechselwirkung der chiralen Moleküle mit magnetischen Oberflächen, da sich in entgegengesetzte Richtungen drehende Elektronen gegenseitig anziehen und diejenigen, die sich in die gleiche Richtung drehen, einander abstoßen.

Wenn sich ein chirales Molekül einer magnetischen Oberfläche nähert, wird es daher näher herangezogen, wenn das Molekül und die Oberfläche entgegengesetzte Spinvorspannungen haben. Wenn ihre Drehungen übereinstimmen, stoßen sie sich gegenseitig ab. (Da auch andere chemische Wechselwirkungen stattfinden, kann das Molekül nicht einfach umdrehen, um sich neu auszurichten.) Eine magnetische Oberfläche kann also als chirales Mittel wirken und vorzugsweise nur mit einem Enantiomer einer Verbindung interagieren.

Im Jahr 2011 gründeten Naaman und sein Team in Zusammenarbeit mit einem Team der Universität Münster in Deutschland habe den Spin gemessen von Elektronen, die sich durch doppelsträngige DNA bewegten, was bestätigt, dass der CISS-Effekt sowohl real als auch stark ist.

Zu diesem Zeitpunkt begann die Erforschung des Effekts und seiner möglichen Anwendungen „zu boomen“, sagte Naaman. Er und sein Team entwickelten beispielsweise mehrere Möglichkeiten, den CISS-Effekt zu nutzen, um Verunreinigungen aus Biomedizinmitteln zu entfernen oder um falsche Enantiomere aus Medikamenten auszuschließen und so schwerwiegende Nebenwirkungen zu verhindern. Sie haben auch untersucht, wie der CISS-Effekt zur Erklärung beitragen könnte Mechanismen der Anästhesie.

Sie begannen jedoch erst ernsthaft mit der Idee zu arbeiten, dass der CISS-Effekt beim Aufstieg der biologischen Homochiralität eine Rolle spielt, nachdem sie von einem Team in Harvard unter der Leitung des Astronomen eingeladen wurden, an einer Hypothese mitzuarbeiten Dimitar Sasselow und sein Doktorand S. Furkan Öztürk.

Eine physikalische Perspektive

Ozturk, der junge Hauptautor der jüngsten Arbeiten, stieß 2020 als Physikstudent in Harvard auf das Homochiralitätsproblem. Da er mit seiner Forschung zu Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen unzufrieden war, blätterte er in einem Wissenschaftsmagazin, das die 125 größten Geheimnisse der Welt detailliert auflistete, und erfuhr dabei von Homochiralität.

„Es sah wirklich nach einer physikalischen Frage aus, weil es um Symmetrien geht“, sagte er. Nachdem er sich an Sasselov gewandt hatte, den Direktor der Harvard Origins of Life Initiative, der sich bereits für die Frage der Homochiralität interessierte, wechselte Ozturk zu einer Stelle als Student in seinem Labor.

Ozturk und Sasselov kamen bald auf eine Idee, die auf dem CISS-Effekt basiert. Sie stellten sich eine ursprüngliche Umgebung wie einen flachen See vor, dessen Oberflächen mit magnetischen Mineralien gefüllt waren und das Wasser eine Mischung aus chiralen Vorläufern von Nukleotiden enthielt. Sie stellten die Theorie auf, dass ultraviolettes Licht viele Elektronen aus den magnetischen Oberflächen hätte ausstoßen können, und viele dieser Elektronen hätten den gleichen Spin gehabt. Die ausgestoßenen Elektronen hätten dann möglicherweise bevorzugt mit bestimmten Enantiomeren interagiert, und die daraus resultierenden chemischen Reaktionen hätten dann möglicherweise bevorzugt rechtshändige RNA-Vorläufer zusammengebaut.

Im April 2022 reiste Ozturk zu Naamans Labor in Israel, begeistert von der Aussicht, ihre Hypothese zu testen. Seine Aufregung war nur von kurzer Dauer. Im Laufe des nächsten Monats, als er mit Naaman zusammenarbeitete, scheiterte die Idee. Es „hat nicht funktioniert“, sagte Öztürk und so kehrte er niedergeschlagen nach Hause zurück.

Doch dann hatte Öztürk eine andere Idee. Was wäre, wenn sich der CISS-Effekt nicht als chemischer, sondern als physikalischer Prozess manifestieren würde?

Naamans Gruppe hatte gezeigt, dass sie magnetische Oberflächen nutzen konnten, um Enantiomere bevorzugt zu kristallisieren. Und die Kristallisation wäre der einfachste Weg, um gereinigte Enantiomerensammlungen zusammenzustellen. Ozturk hat das erwähnt John Sutherland, ihr Mitarbeiter am MRC Laboratory of Molecular Biology im Vereinigten Königreich „Und ich sagte, lassen Sie alles, was mit Elektronen zu tun hat, weg und konzentrieren Sie sich nur auf die Kristallisation“, sagte Sutherland.

Sutherland war vom Kristallisationsaspekt begeistert, da er und sein Team bereits unabhängig voneinander entdeckt hatten, dass ein RNA-Vorläufer namens Ribo-Aminooxazolin (RAO) zwei der vier Bausteine ​​der RNA synthetisieren kann. RAO „kristallisiert auch wunderbar“, sagte Sutherland. Sobald sich aus dem von der Oberfläche angezogenen Enantiomer ein Kristallkeim bildet, wächst der Kristall bevorzugt, indem er mehr von demselben Enantiomer einbaut.

Ozturk erinnert sich, dass Sutherland ihm gesagt hatte, dass es „Game Over“ wäre, wenn die CISS-Effekt-Idee funktionieren würde. „Weil es so einfach war“, sagte Ozturk. „Es geschah an einem Molekül, das für die Entstehung der Lebenschemie so zentral war, dass man, wenn man es schafft, dieses Molekül homochiral zu machen, das gesamte System homochiral machen kann.“

Ozturk machte sich im Harvard-Labor an die Arbeit. Er legte Magnetitoberflächen auf eine Petrischale und füllte sie mit einer Lösung, die gleiche Mengen links- und rechtsdrehender RAO-Moleküle enthielt. Anschließend stellte er die Schale auf einen Magneten, stellte das Experiment in den Kühlschrank und wartete darauf, dass die ersten Kristalle auftauchten. Zunächst stellte das Team fest, dass 60 % der Kristalle Einhandkristalle waren. Als sie den Vorgang wiederholten, wiesen ihre Kristalle zu 100 % die gleiche Chiralität auf.

Wie sie in einer im Juni veröffentlichten Studie berichten Wissenschaft Fortschritte, wenn sie die Oberfläche in eine Richtung magnetisierten, erzeugten sie Kristalle, die rein rechtshändig waren; Wenn sie es in die andere Richtung magnetisierten, waren die Kristalle rein linkshändig. „Ich war sehr überrascht, weil ich mit Experimenten, die nicht funktionieren, sehr vertraut bin“, sagte Ozturk. Aber dieser „funktionierte wie ein Zauber.“

Hinter seinem Schreibtisch bewahrt Ozturk die leere Flasche Champagner auf, die Sasselov und das Team bei einem feierlichen Abendessen geteilt haben.

Multiplizieren und verstärken

Doch sie hatten immer noch ein großes Problem: Der Magnet, den sie in ihrem Experiment verwendeten, war etwa 6,500-mal stärker als das Erdmagnetfeld.

Also kehrte Ozturk letzten November zum Weizmann-Institut zurück und arbeitete dann zusammen mit Naaman an einem Folgeexperiment, bei dem sie überhaupt kein externes Magnetfeld verwendeten. Stattdessen fanden sie heraus, dass die chiralen Moleküle, wenn sie auf den magnetischen Oberflächen adsorbiert wurden, über der Oberfläche ein stark lokales Magnetfeld erzeugten, das bis zu 50-mal so stark war wie das Erdmagnetfeld. Ihre Ergebnisse wurden von einer Fachzeitschrift akzeptiert, aber noch nicht veröffentlicht.

„Sie zwingen die Nachbarschaft dazu, magnetisiert zu werden, was es für die Kristalle noch einfacher macht, sich weiter zu bilden“, sagte Joyce. Dieser sich selbst verstärkende Effekt mache das Szenario plausibel, fügte er hinzu.

Athavale stimmt zu. Die Tatsache, dass man kein starkes Magnetfeld benötigt, damit der CISS-Effekt auftritt, ist „wirklich schön, weil man jetzt eine mögliche geologische Umgebung gesehen hat“, sagte er.

Der eigentliche Schlüssel zur Schaffung von Homochiralität liegt jedoch darin, zu untersuchen, wie der Effekt über ein Netzwerk interagierender Moleküle hätte verstärkt werden können. „Der wichtigste Aspekt von alledem ist nicht, dass es uns gelungen ist, einen weiteren Weg zu finden, ein chirales Produkt zu erhalten“, sagte Sasselov, sondern dass seine Gruppe einen Weg zur Schaffung eines homochiralen Netzwerks gefunden hatte.

In einem Artikel auf dem Cover von Das Journal of Chemical Physics Im August schlugen Ozturk, Sasselov und Sutherland ein Modell dafür vor, wie sich chirale Informationen über ein präbiotisches Netzwerk verbreiten könnten. Sutherland und seine Gruppe hatten zuvor gezeigt, dass Analoga rechtshändiger Transfer-RNA-Moleküle – die Aminosäuren binden und zum Ribosom bringen, um Proteine ​​​​herzustellen – zehnmal schneller an linkshändige Aminosäuren binden als an rechtshändige. Der Befund legt nahe, dass chirale RNA bevorzugt Proteine ​​mit der entgegengesetzten Chiralität herstellt, wie es in der Natur vorkommt. Wie die Forscher in der Arbeit schreiben: „Daher kann das Problem der biologischen Homochiralität darauf reduziert werden, sicherzustellen, dass ein einzelner gemeinsamer RNA-Vorläufer (z. B. RAO) homochiral gemacht werden kann.“

Die Studie habe nicht direkt erklärt, warum die bevorzugten Nukleotide des Lebens rechtshändig und seine Aminosäuren linkshändig sind, sagte Ozturk. Diese neuen Erkenntnisse legen jedoch nahe, dass der entscheidende Faktor die durch das Erdfeld induzierte Magnetisierung war. Athavale stellte fest, dass selbst wenn der Kristallisationsprozess in 100 Urseen stattfinden würde, das Erdmagnetfeld dafür sorgen würde, dass sie alle Vorläufer mit der gleichen Händigkeit und nicht eine Mischung produzierten.

Joyce bemerkte, dass es eine „coole kleine Wendung“ gäbe, wenn das Magnetfeld eine solche Voreingenommenheit hätte: Wenn das Leben auf der Nordhalbkugel begann und Moleküle mit einer Händigkeit begünstigte, dann hätte es die entgegengesetzte Händigkeit gezeigt, wenn es auf der Südhalbkugel entstanden wäre.

Die Ausbreitung der Chiralität zwischen Molekülfamilien sei immer noch höchst hypothetisch, bemerkte Athavale, obwohl es gut sei, die Leute zum Nachdenken anzuregen. Sasselov stimmt zu. „Die Idee dieses Papiers besteht darin, Menschen zu motivieren, diese Experimente durchzuführen“, sagte er.

Wentao Ma, ein Forscher über den Ursprung des Lebens an der Wuhan-Universität in China, sagte, dass die neuen Arbeiten einen „interessanten Fortschritt“ darstellen. Aber er müsste sehen, dass der CISS-Effekt zur Polymerisation von RNA führt, um darin eine vollständige Antwort zu sehen. „Wenn sie dieses Ergebnis erreichen können, sind wir meiner Meinung nach nicht mehr weit von der … Lösung entfernt“, sagte er.

„Ich mag den CISS-Effekt wirklich“, sagte er Noémie Globus, ein Astrophysiker, der sich mit dem Homochiralitätsproblem beschäftigt. Überzeugender wäre es, sagte sie, wenn die Forscher prüfen würden, ob Meteorite, die einen Überschuss an Aminosäuren mit einer bestimmten Händigkeit enthalten (die zuvor gefunden wurden), auch überschüssige magnetische Partikel enthalten. Sie wies auch darauf hin, dass unterschiedliche theoretisierte Mechanismen allesamt Homochiralität in unterschiedlichen Molekülen hervorgerufen haben könnten.

Jeffrey Bada, ein emeritierter Professor an der Scripps Institution of Oceanography der University of California in San Diego, steht der Idee skeptisch gegenüber. Er glaubt nicht, dass RNA unter ursprünglichen Bedingungen als erstes selbstreplizierendes Molekül hätte synthetisiert werden können. „Niemand hat RNA in einem präbiotischen Kontext hergestellt“, sagte er, weil es zu viele Probleme mit der Stabilität des Moleküls gebe.

Sutherlands Team arbeitet immer noch daran zu zeigen, dass die beiden anderen Arten von Nukleotiden aus dem RNA-Vorläufermolekül hergestellt werden können. „Ich denke, wir sind verdammt nah dran“, sagte Sutherland. „Aber meine Fraktion wird Ihnen sagen, dass ich das schon seit 22 Jahren sage.“

Unabhängig davon, ob der CISS-Effekt die Lösung, einen Teil der Lösung oder überhaupt keine Lösung darstellt, gibt es offensichtliche nächste Schritte zum Testen. „Es hat alle Aspekte einer schönen Hypothese, bei der man sich etwas Kreatives ausdenkt, etwas Machbares und dann etwas, das letztendlich getestet werden kann“, sagte Athavale. Der überzeugendste nächste Schritt wäre seiner Meinung nach der Nachweis geologischer Beweise dafür, dass der Prozess außerhalb des Labors stattgefunden haben könnte.

Während eines Zoom-Anrufs hielt Ozturk einen flachen schwarzen Stein hoch, den er auf einer Reise nach Australien mitgenommen hatte, einem Ort voller magnetischer Eisensteine, auf denen er seine Experimente wiederholen möchte. Er möchte auch zukünftige Tests der Idee dynamischer gestalten: Die Urseen, in denen sich seiner Meinung nach die frühen Moleküle gebildet haben, hätten Ströme und Ströme von Material sowie natürliche „Nass-Trocken“-Zyklen gehabt, die durch Regen und hohe Temperaturen angetrieben wurden würde es Kristallen ermöglichen, sich zu bilden und aufzulösen, sich zu bilden und aufzulösen.

Anmerkung der Redaktion: Sasselov und seine Gruppe sowie Joyce und Sutherland haben Fördermittel von der erhalten Simons Foundation, die dies auch finanziert redaktionell unabhängige Zeitschrift. Förderentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf unsere Berichterstattung.