Magnetism võis anda elule selle molekulaarse asümmeetria | Quanta ajakiri

Aastal 1848, kui Louis Pasteur oli noor keemik, kes oli veel aastaid eemal piima steriliseerimise avastamisest, avastas ta kristallide puhul, mis tekkisid kogemata, kui tööstuskeemik liiga kaua veini keetis, midagi omapärast. Pooled kristallidest olid äratuntavalt viinhape, tööstuslikult kasulik sool, mis kasvas looduslikult veinivaatide seintel. Teised kristallid olid täpselt sama kuju ja sümmeetriaga, kuid üks tahk oli suunatud vastupidises suunas.

Erinevus oli nii suur, et Pasteur suutis pintsettidega suurendusläätse all olevad kristallid eraldada. "Need on üksteise suhtes samad, mis on pilt peeglis, tegeliku asja suhtes," kirjutas ta tol aastal ühes artiklis.

Ehkki Pasteur seda ei teadnud, oli ta selle veini kristalliseerunud rämpsudes komistanud ühe sügavaima saladuse otsa elu tekke kohta Maal.

See, mida ta nägi, oli segu viinhappemolekulidest, millel oli identne aatomikoostis ja nende aatomite peegelpildi paigutus ruumis. Neil oli omadus, mida hiljem nimetati "kiraalsuseks" pärast kreekakeelset sõna "käsi": nii nagu meie vasak ja parem käsi on üksteise sümmeetrilised vastandid, on ka viinhappemolekulide vasaku- ja paremakäelised versioonid (ehk enantiomeerid). eristuvad ja mittevõrdväärsed.

Pasteuri vaatluse tähtsus ületas kiraalsuse avastamist – seal oli ka märkimisväärne põhjus, miks ta seda nägi. Sünteetilised kristallid olid viinhappe enantiomeeride segu, kuna keemisprotsess võimaldas vasaku- ja parempoolsete versioonide moodustumist võrdsel arvul. Veinivaadist pärit looduslikes kristallides olid aga kõik viinhappemolekulid paremakäelised – sest veini valmistamiseks kasutatud viinamarjad, mis korjati elavatest viinapuudest, tegid ainult selle enantiomeeri.

Kiraalsus on meie teadaoleva elu tunnus. Ikka ja jälle on biokeemikud leidnud, et kui elusrakud kasutavad kiraalseid molekule, kasutavad nad ainult ühte kiraalsust. Näiteks DNA-d moodustavad suhkrud on kõik paremakäelised. Valke moodustavad aminohapped on kõik vasakukäelised. Kui ravimitesse satuvad valed enantiomeerid, võivad tagajärjed mõnikord olla mürgised või isegi surmavad.

Mõni sündmus või sündmuste jada elu ajaloo alguses pidi olema "peegli purustanud", nagu biokeemikud ütlesid, paiskades elu molekulaarsesse asümmeetriasse. Teadlased on arutanud, miks elu muutus homokiraalseks ja kas see pidi juhtuma või oli see puhtalt juhus. Kas kiraalsed eelistused avaldasid varasele elule muljet kosmosest saabunud molekulide kallutatud proovid või arenesid need kuidagi välja segudest, mis said alguse võrdsetes osades parema- ja vasakukäelisena?

"Teadlased on sellest tähelepanekust hämmingus," ütles Soumitra Athavale, Los Angelese California ülikooli orgaanilise keemia dotsent. "Nad on aastate jooksul välja pakkunud igasuguseid ettepanekuid, kuid geoloogiliselt tegelikult asjakohaseid ettepanekuid on raske välja pakkuda." Veelgi enam, kuigi paljud teooriad võiksid selgitada, miks ühte tüüpi molekulid võisid muutuda homokiraalseks, ei selgitanud ükski neist, miks terved biomolekulide võrgustikud seda tegid.

Hiljuti avaldas Harvardi ülikooli rühm kirjutisi, mis pakuvad intrigeerivat lahendust elu homokiraalsuse tekkimisele. Nad viitavad sellele, et ürgse Maa veekogude mineraalide magnetpinnad, mis on laetud planeedi magnetvälja poolt, võisid toimida "kiraalsete ainetena", mis tõmbasid teatud tüüpi molekule rohkem kui teisi, käivitades protsessi, mis võimendas nende kiraalsust. bioloogilised molekulid, alates RNA prekursoritest kuni valkudeni ja kaugemalegi. Nende väljapakutud mehhanism selgitaks, kuidas teatud molekulide koostise kallutatus oleks võinud väljapoole liikuda, et luua tohutu kiraalse keemia võrgustik, mis toetab elu.

See ei ole ainus usutav hüpotees, kuid "see on üks lahedamaid, sest see seob geofüüsika geokeemia, prebiootilise keemiaga ja lõpuks biokeemiaga," ütles ta. Gerald Joyce, biokeemik ja Salki Instituudi president, kes ei osalenud uuringus. Samuti avaldab talle muljet, et hüpoteesi toetavad "tegelikud katsed" ja et "nad teevad seda realistlikes tingimustes".

CISS-efekt

Uue homokiraalsuse teooria juured ulatuvad peaaegu veerand sajandi taha Ron Naaman, Iisraeli Weizmanni teadusinstituudi keemilise füüsika professor ja tema meeskond avastasid kiraalsete molekulide kriitilise mõju. Nende töö keskendus asjaolule, et elektronidel on kaks peamist omadust: neil on negatiivne laeng ja neil on "spin" - kvantomadus, mis on analoogne päripäeva või vastupäeva pöörlemisega. Kui molekulid interakteeruvad teiste molekulide või pindadega, võivad nende elektronid end ümber jaotada, polariseerides molekule, luues nende sihtkohas negatiivse laengu ja lähtepunktis positiivse laengu.

Naaman ja tema meeskond avastasid, et kiraalsed molekulid filtreerivad elektrone nende pöörlemissuuna alusel. Ühe pöörlemisorientatsiooniga elektronid liiguvad tõhusamalt üle kiraalse molekuli ühes suunas kui teises. Vastupidise pöörlemisega elektronid liiguvad teistpidi vabamalt.

Et mõista, miks, kujutage ette, et viskate frisbee, mis vaatab koridori seinalt. Kui frisbee tabab paremat seina, põrkab see edasi ainult siis, kui see pöörleb päripäeva; vastasel juhul põrkab see tagasi. Kui tabate Frisbee vasakpoolsest seinast maha, juhtub vastupidine. Sarnaselt hajutavad kiraalsed molekulid elektrone vastavalt nende pöörlemissuunale, ütles Naaman. Tema ja tema meeskond nimetasid seda nähtust kiraalsest indutseeritud spin-selektiivsuse (CISS) efektiks.

Selle hajumise tõttu agregeeruvad antud spinniga elektronid kiraalse molekuli ühel poolusel (ja molekuli parem- ja vasakukäelised versioonid koguvad oma vastavatele poolustele vastupidised spinnid). Kuid see spinnide ümberjaotumine mõjutab seda, kuidas kiraalsed molekulid interakteeruvad magnetpindadega, kuna vastassuundades pöörlevad elektronid tõmbavad üksteist ligi ja samas suunas pöörlevad elektronid tõrjuvad üksteist.

Järelikult, kui kiraalne molekul läheneb magnetpinnale, tõmbub see lähemale, kui molekulil ja pinnal on vastupidised spinnid. Kui nende keerutused ühtivad, tõrjuvad nad üksteist. (Kuna toimub ka muid keemilisi interaktsioone, ei saa molekul lihtsalt ümber joonduda.) Seega võib magnetpind toimida kiraalse agensina, interakteerudes eelistatavalt ainult ühendi ühe enantiomeeriga.

2011. aastal koostöös Saksamaal Münsteri ülikooli meeskonnaga Naaman ja tema meeskond mõõtis pöörlemist elektronidest, kui nad liikusid läbi kaheahelalise DNA, kinnitades, et CISS-efekt on nii tõeline kui ka tugev.

See oli siis, kui mõju ja selle võimalike rakenduste uurimine hakkas õitsema, ütles Naaman. Näiteks töötas ta koos oma meeskonnaga välja mitmeid viise, kuidas kasutada CISS-efekti, et eemaldada biomeditsiinist lisandeid või välistada ravimitest valed enantiomeerid, et vältida suuremaid kõrvalmõjusid. Samuti on nad uurinud, kuidas CISS-efekt võib aidata seda selgitada anesteesia mehhanismid.

Kuid nad hakkasid tõsiselt töötama idee kallal, et CISS-i efekt mängib oma osa bioloogilise homokiraalsuse kasvus pärast seda, kui astronoomi juhitud Harvardi meeskond kutsus neid hüpoteesi kallal koostööd tegema. Dimitar Sasselov ja tema magistrant S. Furkan Ozturk.

Füüsika vaatenurk

Hiljutiste paberite noor juhtiv autor Ozturk puutus homokiraalsuse probleemiga kokku 2020. aastal, kui ta oli Harvardi füüsika magistrant. Kuna ta ei olnud rahul oma ülikülma aatomeid kasutavate kvantsimulatsioonide uurimisega, sirvis ta läbi teadusajakirja, milles kirjeldati 125 maailma suurimat saladust, ja õppis tundma homokiraalsust.

"See tundus tõesti nagu füüsikaküsimus, sest see puudutab sümmeetriat," ütles ta. Pärast kontakti Sasseloviga, kes on Harvardi algatuse Origins of Life direktor ja keda huvitas juba homokiraalsuse küsimus, asus Ozturk oma laborisse õpilaseks.

Ozturk ja Sasselov tabasid peagi CISS-efektil põhinevat ideed. Nad kujutasid ette ürgset keskkonda nagu madal järv, kus pinnad olid täis magnetilisi mineraale ja vesi sisaldas nukleotiidide kiraalsete prekursorite segu. Nad väitsid, et ultraviolettvalgus oleks võinud magnetpindadelt välja paisata palju elektrone ja paljudel neist elektronidest oleks olnud sama spinn. Väljutatud elektronid võisid seejärel eelistatavalt interakteeruda spetsiifiliste enantiomeeridega ja saadud keemilised reaktsioonid võisid seejärel eelistatavalt kokku panna parempoolsed RNA prekursorid.

2022. aasta aprillis sõitis Ozturk Naamani laborisse Iisraelis, olles vaimustuses võimalusest oma hüpoteesi testida. Tema põnevus oli üürike. Järgmise kuu jooksul, kui ta Naamaniga töötas, kukkus see idee laiali. See "ei töötanud," ütles Ozturk ja naasis ta masendunud koju.

Kuid siis tuli Ozturkil teine ​​idee. Mis siis, kui CISS-i efekt ei avalduks keemilise protsessina, vaid füüsikalise protsessina?

Naamani rühm oli näidanud, et nad saavad enantiomeeride kristalliseerimiseks eelistatavalt kasutada magnetpindu. Ja kristalliseerimine oleks lihtsaim viis puhastatud enantiomeeride kogumite kogumiseks. Ozturk mainis seda John Sutherland, nende kaastöötaja Ühendkuningriigi MRC molekulaarbioloogia laboris "Ja ma ütlesin, et loobuge kõik elektronidega seonduvast ja keskenduge lihtsalt kristalliseerumisele," ütles Sutherland.

Sutherland oli kristalliseerumise aspektist põnevil, sest ta ja ta meeskond olid juba iseseisvalt avastanud, et RNA eelkäija nimega ribo-aminooksasoliini (RAO) suudab sünteesida kahte neljast RNA ehitusplokist. RAO "kristalliseerub ka ilusti", ütles Sutherland. Kui pinnale tõmbunud enantiomeerist moodustub kristalliseemne, kasvab kristall eelistatavalt sama enantiomeeri lisamisega.

Ozturk mäletab, et Sutherland ütles talle, et kui CISS-i efekti idee toimiks, oleks see "mäng läbi". "Sest see oli nii lihtne," ütles Ozturk. "See tehti molekuliga, mis oli elukeemia tekkes nii kesksel kohal, et kui suudate muuta selle molekuli homokiraalseks, saate muuta kogu süsteemi homokiraalseks."

Ozturk asus tööle Harvardi laborisse. Ta pani magnetiitpinnad Petri tassile ja täitis selle lahusega, mis sisaldas võrdses koguses vasaku- ja paremakäelisi RAO molekule. Seejärel pani ta nõude magnetile, pani katse külmkappi ja ootas esimeste kristallide ilmumist. Alguses leidis meeskond, et 60% kristallidest olid ühe käega. Kui nad protsessi kordasid, olid nende kristallid 100% sama kiraalsusega.

Nagu nad teatasid juunis avaldatud uuringus Teadus ettemaksed, kui nad magnetiseerisid pinda ühel viisil, lõid nad kristalle, mis olid puhtalt paremakäelised; kui nad magnetiseerisid seda teistpidi, olid kristallid puhtalt vasakukäelised. "Olin väga üllatunud, sest olen ülimalt tuttav katsetega, mis ei tööta," ütles Ozturk. Kuid see "töötas nagu võlu".

Ozturk hoiab oma laua taga tühja šampanjapudelit, mida Sasselov ja meeskond pidulikul õhtusöögil jagasid.

Korrutage ja võimendage

Kuid neil oli endiselt suur probleem: nende katses kasutatud magnet oli umbes 6,500 korda tugevam kui Maa magnetväli.

Nii naasis Ozturk eelmise aasta novembris Weizmanni Instituuti ning ta ja Naaman töötasid seejärel järelkatse kallal, milles nad ei kasutanud üldse välist magnetvälja. Selle asemel leidsid nad, et kui kiraalsed molekulid adsorbeeriti magnetpindadele, tekitasid nad pinnale väga lokaalse magnetvälja, mis oli kuni 50 korda tugevam kui Maa magnetväli. Nende järeldused on heaks kiitnud eelretsenseeritud ajakiri, kuid neid pole veel avaldatud.

"Sa sunnid naabruskonda magnetiseerima, mis muudab kristallide moodustumise veelgi lihtsamaks, " ütles Joyce. Ta lisas, et see isekestev mõju muudab stsenaariumi usutavaks.

Athavale nõustub. Asjaolu, et te ei vaja CISS-efekti ilmnemiseks tugevat magnetvälja, on "tõesti tore, sest nüüd olete näinud võimalikku geoloogilist seadet," ütles ta.

Kuid homokiraalsuse loomise tegelik võti on vaadata, kuidas mõju oleks saanud võimendada interakteeruvate molekulide võrgustikus. "Selle kõige olulisem aspekt ei ole see, et meil õnnestus leida veel üks viis kiraalse toote saamiseks," ütles Sasselov, vaid see, et tema rühm oli leidnud tee homokiraalse võrgustiku loomiseks.

Paberis, mis on kujutatud kaanel The Journal of Chemical Physics augustis pakkusid Ozturk, Sasselov ja Sutherland välja mudeli, kuidas kiraalne teave levida prebiootilises võrgus. Sutherland ja tema rühm olid varem näidanud, et paremakäeliste RNA molekulide analoogid - mis seovad aminohappeid ja viivad need ribosoomi valkude moodustamiseks - seostuvad vasakukäeliste aminohapetega 10 korda kiiremini kui paremakäeliste aminohapetega. Leid viitab sellele, et kiraalne RNA teeb eelistatult vastupidise kiraalsusega valke, nagu looduses näha. Nagu teadlased artiklis kirjutasid: "Seetõttu võib bioloogilise homokiraalsuse probleemi taandada selleni, et ühe ühise RNA prekursori (nt RAO) saab homokiraalseks muuta."

Uuring ei selgitanud otseselt, miks elu eelistatud nukleotiidid on paremakäelised ja selle aminohapped on vasakukäelised, ütles Ozturk. Kuid need uued leiud viitavad sellele, et määravaks teguriks oli Maa välja poolt indutseeritud magnetiseerumine. Athavale märkis, et isegi kui kristalliseerumisprotsess toimus 100 ürgjärves, tagaks Maa magnetväli, et need kõik toodavad pigem sama käega lähteaineid kui segu.

Joyce märkis, et kui magnetväli andis sellise kallutatuse, on "väike lahe pööre": kui elu algas põhjapoolkeral ja eelistas ühekäelisi molekule, siis oleks see lõunapoolkeral tekkinud vastupidise käelisusega näidanud.

Athavale märkis, et kiraalsuse levik molekulide perekondade vahel on endiselt väga hüpoteetiline, kuigi on hea panna inimesi mõtlema. Sasselov nõustub. "Selle paberi idee on motiveerida inimesi neid katseid tegema," ütles ta.

Wentao MaHiina Wuhani ülikooli elu päritolu uurija ütles, et uued dokumendid tähistavad "huvitavat edu". Kuid ta peaks nägema, et CISS-efekt viib RNA polümerisatsioonini, et näha seda täieliku vastusena. "Kui nad suudavad selle tulemuse saavutada, siis ma arvan, et me pole ... lahendusest kaugel," ütles ta.

"Mulle väga meeldib CISS-i efekt," ütles Noémie Globus, astrofüüsik, kes tegeleb homokiraalsuse probleemiga. Tema sõnul oleks veenvam see, kui teadlased kontrolliksid, kas meteoriidid, mis sisaldavad liigselt teatud käega aminohappeid (mida on varem leitud), sisaldavad ka liigseid magnetosakesi. Ta märkis ka, et erinevad teoreetilised mehhanismid võisid luua homokiraalsust erinevates molekulides.

Jeffrey Bada, San Diego California ülikooli Scrippsi okeanograafiainstituudi emeriitprofessor on selle idee suhtes skeptiline. Ta ei usu, et RNA-d oleks saanud sünteesida ürgsetes tingimustes esimese isepaljuneva molekulina. "Keegi pole prebiootilises kontekstis RNA-d valmistanud," ütles ta, kuna molekuli stabiilsusega on liiga palju probleeme.

Sutherlandi meeskond töötab endiselt selle nimel, et näidata, et RNA prekursormolekulist saab valmistada kahte teist tüüpi nukleotiide. "Ma arvan, et oleme päris lähedased," ütles Sutherland. "Kuid minu rühm ütleb teile, et olen seda rääkinud 22 aastat."

Olenemata sellest, kas CISS-efekt esindab lahendust, osa lahendusest või üldse mitte, on selle testimiseks ilmselged järgmised sammud. "Sellel on kõik toreda hüpoteesi aspektid, mille kohaselt mõtlete välja midagi loomingulist, midagi, mis on teostatav, ja seejärel midagi, mida saab lõpuks testida, " ütles Athavale. Tema arvates oleks kõige veenvam järgmine samm näidata geoloogilisi tõendeid selle kohta, et protsess võis toimuda väljaspool laborit.

Zoomi kõne ajal tõstis Ozturk lamedat musta kivi, mille ta oli üles korjanud reisil Austraaliasse – kohta, mis oli täis magnetilisi raudkivimeid, millel ta loodab oma katseid korrata. Samuti soovib ta muuta idee tulevased testid dünaamilisemaks: ürgjärvedes, kus tema arvates moodustuvad varajased molekulid, oleksid olnud materjalivood ja -vood, aga ka looduslikud "märg-kuiv" tsüklid, mida juhivad vihmad ja kõrged temperatuurid. võimaldaks kristallidel tekkida ja lahustuda, moodustuda ja lahustuda.

Toimetaja märkus: Sasselov ja tema rühm, aga ka Joyce ja Sutherland on saanud rahalisi vahendeid Simons Foundation, mis seda ka rahastab toimetuse poolest sõltumatu ajakiri. Simonsi fondi rahastamisotsused ei mõjuta meie katvust.