Magnetismi on saattanut antaa elämälle sen molekyylien epäsymmetrian | Quanta-lehti

Vuonna 1848, kun Louis Pasteur oli nuori kemisti, joka oli vielä vuosia poissa maidon steriloinnin keksimisestä, hän havaitsi jotain omituista kiteistä, jotka muodostuivat vahingossa, kun teollisuuskemisti keitti viiniä liian kauan. Puolet kiteistä oli tunnistettavasti viinihappoa, teollisesti hyödyllistä suolaa, joka kasvoi luonnollisesti viinitynnyrien seinillä. Muilla kiteillä oli täsmälleen sama muoto ja symmetria, mutta yksi pinta oli suunnattu vastakkaiseen suuntaan.

Ero oli niin selvä, että Pasteur pystyi erottamaan kiteet pinseteillä suurennuslinssin alla. "Ne ovat suhteessa toisiinsa, mitä kuva on peilissä, suhteessa todelliseen asiaan", hän kirjoitti saman vuoden lehdessä.

Vaikka Pasteur ei tiennytkään sitä, hän oli törmännyt tuon viinin kiteytyneissä kuonassa yhteen syvimmistä mysteereistä elämän alkuperästä maan päällä.

Hän näki yhdistelmän viinihappomolekyylejä, joilla oli identtiset atomikoostumukset ja näiden atomien peilikuvajärjestelyt avaruudessa. Niillä oli ominaisuus, jota myöhemmin kutsuttiin "kiraaliseksi" kreikan sanan "käsi" jälkeen: Aivan kuten vasen ja oikea kätemme ovat toistensa symmetrisiä vastakohtia, viinihappomolekyylien vasen- ja oikeakätiset versiot (tai enantiomeerit) ovat erillinen ja epätasainen.

Pasteurin havainnon merkitys ylitti kiraalisuuden löydön – sillä oli myös merkittävä syy, miksi hän näki sen. Synteettiset kiteet olivat viinihapon enantiomeerien seos, koska kiehumisprosessi mahdollisti vasen- ja oikeakätisten versioiden muodostumisen yhtä paljon. Mutta viinitynnyreiden luonnollisissa kiteissä kaikki viinihappomolekyylit olivat oikeakätisiä - koska viiniin käytetyt rypäleet, jotka poimittiin elävistä viiniköynnöksistä, tekivät vain tämän enantiomeerin.

Kiraalisuus on merkki elämästä sellaisena kuin me sen tunnemme. Yhä uudelleen biokemistit ovat havainneet, että kun elävät solut käyttävät kiraalisia molekyylejä, ne käyttävät vain yhtä kiraalisuutta. Esimerkiksi DNA:n muodostavat sokerit ovat kaikki oikeakätisiä. Kaikki proteiinit muodostavat aminohapot ovat vasenkätisiä. Jos väärät enantiomeerit pääsevät lääkkeisiin, vaikutukset voivat joskus olla myrkyllisiä tai jopa tappavia.

Jokin tapahtuma tai tapahtumasarja elämänhistorian varhaisessa vaiheessa on täytynyt "särkyä peili", kuten biokemistit sen sanoivat, heittäen elämän molekyylien epäsymmetriaan. Tiedemiehet ovat keskustelleet siitä, miksi elämästä tuli homokiraalista ja pitikö sen tapahtua vai oliko se puhdasta sattumaa. Vaikutivatko kiraaliset mieltymykset varhaiseen elämään avaruudesta saapuvat puolueelliset molekyylinäytteet, vai kehittyivätkö ne jotenkin seoksista, jotka alkoivat yhtäläisinä osina oikea- ja vasenkätisiä?

"Tutkijat ovat hämmentyneet tästä havainnosta", sanoi Soumitra Athavale, orgaanisen kemian apulaisprofessori Kalifornian yliopistossa Los Angelesissa. "He ovat tehneet kaikenlaisia ​​ehdotuksia vuosien varrella, mutta on vaikeaa tehdä ehdotuksia, jotka ovat todella geologisesti relevantteja." Lisäksi vaikka monet teoriat voisivat selittää, miksi yhden tyyppisistä molekyyleistä on voinut tulla homokiraalisia, yksikään niistä ei selittänyt, miksi kokonaiset biomolekyyliverkostot tekivät niin.

Äskettäin Harvardin yliopiston ryhmä julkaisi sarjan artikkeleita, jotka esittelevät kiehtovan ratkaisun elämän homokiraalisuuden syntymiseen. He ehdottavat, että alkuperäisen Maan vesistöissä olevien mineraalien magneettiset pinnat, joita planeetan magneettikenttä varaa, olisivat voineet toimia "kiraalisina tekijöinä", jotka vetivät puoleensa tiettyjä molekyylejä enemmän kuin toiset, mikä käynnisti prosessin, joka vahvisti maapallon kiraalisuutta. biologisia molekyylejä RNA-prekursoreista aina proteiineihin ja edelleen. Heidän ehdottamansa mekanisminsa selittäisi, kuinka tiettyjen molekyylien koostumuksessa oleva harha olisi voinut kaskadoitua ulospäin ja luoda valtava kiraalisen kemian verkosto, joka tukee elämää.

Se ei ole ainoa uskottava hypoteesi, mutta "se on yksi hienoimmista, koska se yhdistää geofysiikan geokemiaan, prebioottiseen kemiaan [ja] viime kädessä biokemiaan", sanoi sanoi. Gerald Joyce, biokemisti ja Salk Instituten presidentti, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Hän on myös vaikuttunut siitä, että hypoteesia tukevat "todelliset kokeet" ja että "he tekevät tämän realistisissa olosuhteissa".

CISS-efekti

Uuden homokiraalisuuden teorian juuret ulottuvat lähes neljännesvuosisadan taakse Ron Naaman, kemiallisen fysiikan professori Weizmann Institute of Sciencessa Israelissa, ja hänen tiiminsä löysivät kiraalisten molekyylien kriittisen vaikutuksen. Heidän työnsä keskittyi siihen tosiasiaan, että elektroneilla on kaksi keskeistä ominaisuutta: Niillä on negatiivinen varaus ja niillä on "spin", kvanttiominaisuus, joka on analoginen sisäisen myötä- tai vastapäivään pyörimiseen. Kun molekyylit ovat vuorovaikutuksessa muiden molekyylien tai pintojen kanssa, niiden elektronit voivat jakaa itsensä uudelleen ja polarisoida molekyylejä luomalla negatiivisen varauksen määränpäähän ja positiivisen varauksen lähtöpisteeseensä.

Naaman ja hänen tiiminsä havaitsivat, että kiraaliset molekyylit suodattavat elektroneja niiden pyörimissuunnan perusteella. Elektronit, joilla on yksi spin-orientaatio, liikkuvat tehokkaammin kiraalisen molekyylin poikki yhteen suuntaan kuin toiseen. Elektronit, joiden pyörimissuunta on vastakkainen, liikkuvat vapaammin toiseen suuntaan.

Ymmärtääksesi miksi, kuvittele heittäväsi frisbeen, joka katsoo käytävän seinältä. Jos frisbee osuu oikeaan seinään, se pomppii eteenpäin vain, jos se pyörii myötäpäivään; muuten se pomppii taaksepäin. Päinvastoin tapahtuu, jos osut frisbeeen vasemmasta seinästä. Samoin kiraaliset molekyylit "sirottavat elektroneja pyörimissuuntansa mukaan", Naaman sanoi. Hän ja hänen tiiminsä nimesivät tämän ilmiön kiraalisen indusoidun spin-selektiivisyyden (CISS) vaikutukseksi.

Tämän sironnan vuoksi tietyn spinin omaavat elektronit päätyvät aggregoitumaan kiraalisen molekyylin yhteen napaan (ja molekyylin oikea- ja vasenkätiset versiot keräävät vastakkaisia ​​spinejä vastaaviin napoihinsa). Mutta tämä spinien uudelleenjakauma vaikuttaa siihen, miten kiraaliset molekyylit ovat vuorovaikutuksessa magneettisten pintojen kanssa, koska vastakkaisiin suuntiin pyörivät elektronit vetävät puoleensa toisiaan ja samaan suuntaan pyörivät hylkivät toisiaan.

Näin ollen, kun kiraalinen molekyyli lähestyy magneettista pintaa, se vetää lähemmäksi, jos molekyylillä ja pinnalla on vastakkaiset spin-poikkeamat. Jos heidän kierroksensa täsmäävät, ne hylkivät toisensa. (Koska muita kemiallisia vuorovaikutuksia on myös meneillään, molekyyli ei voi yksinkertaisesti kääntyä kohdistaakseen itseään uudelleen.) Joten magneettinen pinta voi toimia kiraalisena aineena, joka on ensisijaisesti vuorovaikutuksessa vain yhdisteen yhden enantiomeerin kanssa.

Vuonna 2011 Naaman ja hänen tiiminsä yhteistyössä Saksan Münsterin yliopiston tiimin kanssa mittasi pyörimisen elektronien liikkuessa kaksijuosteisen DNA:n läpi, mikä vahvistaa, että CISS-ilmiö on sekä todellinen että vahva.

Silloin vaikutuksen ja sen mahdollisten sovellusten tutkimus "alkoi kukoistaa", Naaman sanoi. Hän ja hänen tiiminsä esimerkiksi kehittivät useita tapoja käyttää CISS-ilmiötä epäpuhtauksien poistamiseen biolääkkeistä tai väärien enantiomeerien poistamiseksi lääkkeistä suurten sivuvaikutusten estämiseksi. He ovat myös tutkineet, kuinka CISS-ilmiö voisi auttaa selittämään anestesian mekanismit.

Mutta he alkoivat työskennellä vakavasti ajatuksen parissa siitä, että CISS-ilmiöllä on osa biologisen homokiraalisuuden nousua, sen jälkeen, kun tähtitieteilijän johtama Harvardin tutkimusryhmä kutsui heidät tekemään yhteistyötä hypoteesin parissa. Dimitar Sasselov ja hänen jatko-opiskelijansa S. Furkan Ozturk.

Fysiikan näkökulma

Ozturk, viimeaikaisten julkaisujen nuori pääkirjailija, törmäsi homokiraalisuusongelmaan vuonna 2020, kun hän opiskeli fysiikkaa Harvardissa. Tyytymätön tutkimukseensa ultrakylmiä atomeja käyttävistä kvanttisimulaatioista, hän selaili tiedelehteä, jossa kerrottiin 125 maailman suurimmasta mysteeristä, ja oppi homokiraalisuudesta.

"Se näytti todella fysiikan kysymykseltä, koska se koskee symmetriaa", hän sanoi. Ozturk otti yhteyttä Sasseloviin, joka on Harvardin Origins of Life Initiativen johtaja ja joka oli jo kiinnostunut homokiraalisuudesta, ja siirtyi opiskelemaan laboratorioonsa.

Ozturk ja Sasselov löysivät pian CISS-ilmiöön perustuvan idean. He kuvittelivat alkuperäisen ympäristön kuin matala järvi, jossa pinnat olivat täynnä magneettisia mineraaleja ja vesi sisälsi seoksen kiraalisia nukleotidien esiasteita. He teorioivat, että ultraviolettivalo olisi voinut irrottaa monia elektroneja magneettisilta pinnoilta, ja monilla näistä elektroneista olisi ollut sama spin. Ulostyönnetyt elektronit ovat saattaneet olla vuorovaikutuksessa ensisijaisesti spesifisten enantiomeerien kanssa, ja tuloksena saadut kemialliset reaktiot ovat saattaneet koota mieluiten oikeakätisiä RNA-prekursoreita.

Huhtikuussa 2022 Ozturk matkusti Naamanin laboratorioon Israeliin innoissaan mahdollisuudesta testata heidän hypoteesiaan. Hänen innostuksensa oli lyhytaikainen. Seuraavan kuukauden aikana, kun hän työskenteli Naamanin kanssa, ajatus hajosi. Se "ei toiminut", Ozturk sanoi, ja niin hän palasi kotiin masentuneena.

Mutta sitten Ozturkilla oli toinen idea. Entä jos CISS-ilmiö ei ilmennyt kemiallisena prosessina vaan fysikaalisena prosessina?

Naamanin ryhmä oli osoittanut, että he pystyivät käyttämään magneettipintoja enantiomeerien kiteyttämiseen ensisijaisesti. Ja kiteyttäminen olisi helpoin tapa puhdistetuille enantiomeerikokoelmille koota. Ozturk mainitsi sen John Sutherland, heidän yhteistyökumppaninsa MRC Laboratory of Molecular Biologyssa Isossa-Britanniassa "Ja minä sanoin, hylkää kaikki elektroneihin liittyvä ja keskittykää vain kiteytymiseen", Sutherland sanoi.

Sutherland oli innoissaan kiteytysnäkökohdasta, koska hän ja hänen tiiminsä olivat jo itsenäisesti havainneet, että RNA-prekursori nimeltä ribo-aminooksatsoliini (RAO) voi syntetisoida kaksi neljästä RNA:n rakennuspalikoista. RAO myös "kiteytyy kauniisti", Sutherland sanoi. Kun enantiomeeristä muodostuu kiteen siemen, joka vetää puoleensa pintaa, kide kasvaa ensisijaisesti sisällyttämällä enemmän samaa enantiomeeriä.

Ozturk muistaa Sutherlandin kertoneen hänelle, että se olisi "peli ohi", jos CISS-efektiidea toimisi. "Koska se oli niin yksinkertaista", Ozturk sanoi. "Se tehtiin molekyylille, joka oli niin keskeinen elämän kemian alkuperässä, että jos pystyt tekemään siitä molekyylistä homokiraalisen, voit tehdä koko järjestelmästä homokiraalisen."

Ozturk työskenteli Harvardin laboratoriossa. Hän laittoi magnetiittipinnat petrimaljalle ja täytti sen liuoksella, joka sisälsi yhtä suuret määrät vasenkätisiä ja oikeakätisiä RAO-molekyylejä. Sitten hän asetti astian magneetille, laittoi kokeen jääkaappiin ja odotti ensimmäisten kiteiden ilmestymistä. Aluksi ryhmä havaitsi, että 60% kiteistä oli yksikätisiä. Kun he toistivat prosessin, niiden kiteet olivat 100-prosenttisesti samaa kiraalisuutta.

Kuten he raportoivat kesäkuussa julkaistussa tutkimuksessa Tiede ennakot, jos he magnetoivat pinnan yhdellä tavalla, he loivat kiteitä, jotka olivat puhtaasti oikeakätisiä; jos he magnetoivat sen toisella tavalla, kiteet olivat puhtaasti vasenkätisiä. "Olin hyvin yllättynyt, koska olen erittäin perehtynyt kokeisiin, jotka eivät toimi", Ozturk sanoi. Mutta tämä "toimii kuin hurmaa".

Ozturk pitää työpöytänsä takana tyhjää samppanjapulloa, jonka Sasselov ja tiimi jakoivat juhlaillallisella.

Kerro ja vahvista

Mutta heillä oli silti suuri ongelma: heidän kokeilussaan käyttämä magneetti oli noin 6,500 kertaa voimakkaampi kuin Maan magneettikenttä.

Joten Ozturk palasi Weizmann-instituuttiin viime marraskuussa, ja hän ja Naaman työskentelivät sitten seurantakokeessa, jossa he eivät käyttäneet ulkoista magneettikenttää ollenkaan. Sen sijaan he havaitsivat, että kun kiraaliset molekyylit adsorboituivat magneettipinnoille, ne loivat pinnalle erittäin paikallisen magneettikentän, joka oli jopa 50 kertaa voimakkaampi kuin Maan magneettikenttä. Vertaisarvioitu aikakauslehti on hyväksynyt heidän havainnot, mutta niitä ei ole vielä julkaistu.

"Pakotat naapuruston magnetisoitumaan, mikä tekee kiteiden muodostumisesta entistä helpompaa", Joyce sanoi. Tämä itseään jatkuva vaikutus tekee skenaariosta uskottavan, hän lisäsi.

Athavale on samaa mieltä. Se, että et tarvitse erittäin magneettikenttää CISS-ilmiön esiintymiseen, on "todella mukavaa, koska nyt olet nähnyt mahdollisen geologisen ympäristön", hän sanoi.

Mutta todellinen avain homokiralisuuden luomiseen on tarkastella, kuinka vaikutus olisi voitu vahvistaa vuorovaikutuksessa olevien molekyylien verkostossa. "Tärkein näkökohta tässä ei ole se, että onnistuimme löytämään vielä toisen tavan saada kiraalinen tuote", Sasselov sanoi, vaan että hänen ryhmänsä oli löytänyt reitin homokiraalisen verkoston luomiseen.

Kannessa olevassa paperissa The Journal of Chemical Physics elokuussa Ozturk, Sasselov ja Sutherland ehdottivat mallia siitä, kuinka kiraalinen informaatio voisi levitä prebioottisessa verkossa. Sutherland ja hänen ryhmänsä olivat aiemmin osoittaneet, että oikeakätisten siirto-RNA-molekyylien analogit - jotka sitovat aminohappoja ja tuovat ne ribosomiin proteiinien valmistamiseksi - liittyvät vasenkätisten aminohappoihin 10 kertaa nopeammin kuin oikeakätisten. Havainto viittaa siihen, että kiraalinen RNA tekee ensisijaisesti proteiineja, joilla on päinvastainen kiraalisuus, kuten luonnossa nähdään. Kuten tutkijat kirjoittivat paperissa: "Siksi biologinen homokiraalisuusongelma voidaan vähentää varmistamaan, että yksi yhteinen RNA-prekursori (esim. RAO) voidaan tehdä homokiraaliseksi."

Tutkimus ei suoraan selittänyt, miksi elämän suosituimmat nukleotidit ovat oikeakätisiä ja sen aminohapot vasenkätisiä, Ozturk sanoi. Mutta nämä uudet havainnot viittaavat siihen, että määräävä tekijä oli Maan kentän aiheuttama magnetointi. Athavale totesi, että vaikka kiteytysprosessi tapahtuisi 100 alkuperäisessä järvessä, Maan magneettikenttä varmistaisi, että ne kaikki tuottaisivat esiasteita samalla kädellä eikä seoksena.

Joyce huomautti, että siinä on "hieno pieni käänne", jos magneettikenttä antaisi tällaisen harhan: Jos elämä alkoi pohjoisella pallonpuoliskolla ja suosi molekyylejä yhdellä kädellä, niin se olisi osoittanut päinvastaista kättä, jos se olisi syntynyt eteläisellä pallonpuoliskolla.

Kiraalisuuden leviäminen molekyyliperheiden välillä on edelleen erittäin hypoteettista, Athavale totesi, vaikka on hyvä saada ihmiset ajattelemaan. Sasselov on samaa mieltä. "Tämän paperin ideana on motivoida ihmisiä menemään ja tekemään näitä kokeita", hän sanoi.

Wentao Ma, Kiinan Wuhanin yliopiston elämän alkuperän tutkija, sanoi, että uudet paperit merkitsevät "kiinnostavaa edistystä". Mutta hänen olisi nähtävä CISS-ilmiön johtava RNA:n polymeroitumiseen nähdäkseen sen täydellisenä vastauksena. "Jos he voivat saavuttaa tämän tuloksen, uskon, että emme ole kaukana … ratkaisusta", hän sanoi.

"Pidän todella CISS-efektistä", sanoi Noémie Globus, astrofyysikko, joka työskentelee homokiraalisuusongelman parissa. Hän sanoi, että olisi vakuuttavampaa, että tutkijat tarkistavat, sisältävätkö meteoriitit, jotka sisältävät ylimääräisiä aminohappoja tietyllä kädellä (jotka on löydetty aiemmin), myös ylimääräisiä magneettisia hiukkasia. Hän totesi myös, että erilaiset teoretisoidut mekanismit ovat kaikki saattaneet luoda homokiraalisuutta eri molekyyleissä.

Jeffrey BadaKalifornian yliopiston San Diegossa sijaitsevan Scripps Institution of Oceanographyn emeritusprofessori on skeptinen idean suhteen. Hän ei usko, että RNA:ta olisi voitu syntetisoida alkuperäisissä olosuhteissa ensimmäisenä itsestään replikoituvana molekyylinä. "Kukaan ei ole tehnyt RNA:ta prebioottisessa kontekstissa", hän sanoi, koska molekyylin stabiilisuudessa on liian monia ongelmia.

Sutherlandin tiimi työskentelee edelleen osoittaakseen, että kaksi muuta nukleotidityyppiä voidaan valmistaa RNA:n esiastemolekyylistä. "Luulen, että olemme aika pirun läheisiä", Sutherland sanoi. "Mutta ryhmäni kertoo teille, että olen sanonut sitä 22 vuotta."

Edustaako CISS-efekti ratkaisua, osaa ratkaisusta vai ei ratkaisua ollenkaan, sen testaamiseen on ilmeisiä seuraavia vaiheita. "Siinä on kaikki hienon hypoteesin näkökohdat, jossa keksit jotain luovaa, jotain, joka on mahdollista ja sitten jotain, joka voidaan lopulta testata", Athavale sanoi. Hänen mielestään vakuuttavin seuraava askel olisi näyttää geologisia todisteita siitä, että prosessi olisi voinut tapahtua laboratorion ulkopuolella.

Zoom-puhelun aikana Ozturk piti pystyssä litteää mustaa kiveä, jonka hän oli poiminut matkallaan Australiaan, paikkaan, joka oli täynnä magneettisia rautakiviä, joilla hän aikoo toistaa kokeitaan. Hän haluaa myös tehdä idean tulevista testeistä dynaamisempia: muinaisissa järvissä, joissa hänen mielestään muodostuneet varhaiset molekyylit olisivat olleet materiaalivirtoja ja -virtoja sekä luonnollisia sateiden ja korkeiden lämpötilojen aiheuttamia "märkä-kuiva" -kiertoja, mahdollistaisi kiteiden muodostumisen ja liukenemisen, muodostumisen ja liukenemisen.

Toimittajan huomautus: Sasselov ja hänen ryhmänsä sekä Joyce ja Sutherland ovat saaneet rahoitusta Simonsin säätiö, joka myös rahoittaa tätä toimituksellisesti riippumaton lehti. Simons Foundationin rahoituspäätökset eivät vaikuta kattavuuteemme.