A mágnesesség adhatta az életnek a molekuláris aszimmetriáját | Quanta Magazin

1848-ban, amikor Louis Pasteur fiatal vegyész volt, még évekre volt attól, hogy felfedezze, hogyan kell sterilizálni a tejet, felfedezett valami különöset a kristályokban, amelyek véletlenül keletkeztek, amikor egy ipari vegyész túl sokáig forralt bort. A kristályok fele felismerhetően borkősav volt, egy iparilag hasznos só, amely természetesen nőtt a boroshordók falán. A többi kristálynak pontosan ugyanolyan alakja és szimmetriája volt, de az egyik lapja az ellenkező irányba állt.

A különbség olyan éles volt, hogy Pasteur csipesszel el tudta választani a kristályokat egy nagyítólencse alatt. „Olyan kapcsolatban állnak egymással, mint a kép, a tükörben, a valósággal” – írta egy tanulmányában abban az évben.

Bár Pasteur nem tudta, a bor kikristályosodott hordalékában belebotlott a földi élet eredetének egyik legmélyebb rejtélyébe.

Amit látott, az olyan borkősavmolekulák keveréke volt, amelyek atomösszetétele és ezeknek az atomoknak a térben való tükörképei elrendezése azonos volt. A görög „kéz” szó után később „kiralitásnak” nevezett tulajdonságuk volt: ahogy a bal és a jobb kezünk egymás szimmetrikus ellentéte, a borkősavmolekulák bal- és jobbkezes változatai (vagy enantiomerjei) különálló és nem egyenértékű.

Pasteur megfigyelésének jelentősége túlmutat a kiralitás felfedezésén – megvolt az a figyelemre méltó oka is, hogy ezt látta. A szintetikus kristályok a borkősav-enantiomerek keverékei voltak, mivel a forralás lehetővé tette a bal- és jobbkezes változatok egyenlő számban történő kialakulását. A boroshordókból származó természetes kristályokban azonban az összes borkősavmolekula jobbkezes volt – mert a borhoz használt, élő szőlőből szedett szőlő csak ezt az enantiomert készítette.

A kiralitás az általunk ismert élet sajátossága. A biokémikusok újra és újra azt találták, hogy amikor az élő sejtek királis molekulákat használnak, akkor kizárólag egyetlen kiralitást használnak. A DNS-t alkotó cukrok például mind jobbkezesek. A fehérjéket alkotó aminosavak mind balkezesek. Ha a rossz enantiomerek bekerülnek a gyógyszerekbe, a hatások néha mérgezőek vagy akár halálosak is lehetnek.

Valamelyik esemény vagy eseménysorozat az élet történetének korai szakaszában bizonyára „megtörte a tükröt”, ahogy a biokémikusok mondják, és az életet molekuláris aszimmetriába sodorta. A tudósok azon vitatkoztak, hogy miért vált az élet homokirálissá, és hogy meg kellett-e történnie, vagy csak véletlen volt. Vajon a királis preferenciákat a korai életben befolyásolták az űrből érkező molekulák elfogult mintái, vagy valahogy olyan keverékekből fejlődtek ki, amelyek egyenlő arányban jobb- és balkezesek?

"A tudósokat megdöbbentette ez a megfigyelés" - mondta Soumitra Athavale, a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem szerves kémia adjunktusa. "Az évek során mindenféle javaslattal álltak elő, de nehéz olyan javaslatokat előállítani, amelyek geológiailag valóban relevánsak." Sőt, bár sok elmélet megmagyarázhatja, hogy egy molekulatípus miért válhatott homokirálissá, egyik sem magyarázta meg, hogy biomolekulák egész hálózatai miért váltak így.

A közelmúltban a Harvard Egyetem egy csoportja publikált egy sor tanulmányt, amelyek érdekes megoldást mutatnak be az élet homokiralitása kialakulására. Azt sugallják, hogy az ősföldi víztestekben található ásványok mágneses felületei, amelyeket a bolygó mágneses mezeje tölt fel, „királis ágensként” szolgálhattak, amely egyes molekulaformákat jobban vonzott, mint másokat, elindítva egy olyan folyamatot, amely felerősítette a bolygó kiralitását. biológiai molekulák, az RNS-prekurzoroktól egészen a fehérjékig és azon túl. Javasolt mechanizmusuk megmagyarázná, hogy bizonyos molekulák felépítésének torzítása hogyan léphetett kifelé, hogy létrejöjjön az életet támogató királis kémia hatalmas hálózata.

Nem ez az egyetlen elfogadható hipotézis, de „az egyik legmenőbb, mert összekapcsolja a geofizikát a geokémiával, a prebiotikus kémiával és végső soron a biokémiával” – mondta. Gerald Joyce, biokémikus és a Salk Institute elnöke, aki nem vett részt a vizsgálatban. Az is lenyűgözi, hogy a hipotézist „tényleges kísérletek” támasztják alá, és hogy „reális körülmények között teszik ezt”.

A CISS effektus

A homokiralitásról szóló új elmélet gyökerei csaknem negyed évszázadra nyúlnak vissza Ron Naaman, az izraeli Weizmann Institute of Science kémiai fizika professzora és csapata felfedezte a királis molekulák kritikus hatását. Munkájuk arra a tényre összpontosított, hogy az elektronoknak két kulcsfontosságú tulajdonságuk van: negatív töltést hordoznak, és van „spin”-ük, egy kvantumtulajdonságuk, amely analóg az óramutató járásával megegyező vagy ellentétes irányú forgással. Amikor a molekulák kölcsönhatásba lépnek más molekulákkal vagy felületekkel, elektronjaik újra eloszthatják magukat, polarizálva a molekulákat úgy, hogy negatív töltést hoznak létre a rendeltetési helyükön, és pozitív töltést a kiindulási pontjukon.

Naaman és csapata felfedezte, hogy a királis molekulák a spinük iránya alapján szűrik az elektronokat. Az egyik spin orientációjú elektronok hatékonyabban mozognak a királis molekulán az egyik irányba, mint a másik irányba. Az ellenkező forgású elektronok szabadabban mozognak a másik irányba.

Hogy megértse, miért, képzeljen el egy frizbit, amely a folyosó faláról néz. Ha a frizbi a jobb oldali falat éri, csak akkor pattan előre, ha az óramutató járásával megegyező irányban forog; ellenkező esetben visszafelé pattan. Ennek ellenkezője fog történni, ha leüti a frizbit a bal oldali falról. Hasonlóképpen, a királis molekulák „forgásirányuk szerint szórják szét az elektronokat” – mondta Naaman. Ő és csapata ezt a jelenséget a királis indukált spin szelektivitás (CISS) effektusnak nevezte el.

A szóródás miatt az adott spinű elektronok egy királis molekula egyik pólusán aggregálódnak (és a molekula jobb- és balkezes változatai ellentétes spineket gyűjtenek össze a megfelelő pólusukon). De a spinek újraeloszlása ​​befolyásolja, hogy a királis molekulák hogyan lépnek kölcsönhatásba a mágneses felületekkel, mivel az ellentétes irányban forgó elektronok vonzzák egymást, az azonos irányba forgó elektronok pedig taszítják egymást.

Következésképpen, amikor egy királis molekula megközelíti a mágneses felületet, akkor közelebb kerül, ha a molekula és a felület spin-eltolódása ellentétes. Ha a pörgetéseik egyeznek, taszítják egymást. (Mivel más kémiai kölcsönhatások is zajlanak, a molekula nem tud egyszerűen átbillenteni, hogy újra igazodjon.) Tehát a mágneses felület királis ágensként működhet, és előnyösen a vegyület egyetlen enantiomerjével lép kölcsönhatásba.

2011-ben a németországi Münsteri Egyetem csapatával együttműködve Naaman és csapata mérte a pörgést Az elektronok mennyisége, amint áthaladtak a kétszálú DNS-en, megerősítve, hogy a CISS-effektus valódi és erős.

Ekkor kezdett fellendülni a hatás és annak lehetséges alkalmazásaival kapcsolatos kutatások – mondta Naaman. Ő és csapata például többféle módszert dolgozott ki a CISS-effektus felhasználására a biomedicinák szennyeződéseinek eltávolítására, vagy a rossz enantiomerek kizárására a gyógyszerekből a jelentős mellékhatások megelőzése érdekében. Azt is megvizsgálták, hogy a CISS-effektus hogyan segíthet megmagyarázni a az érzéstelenítés mechanizmusai.

De csak azután kezdtek el komolyan dolgozni azon az elképzelésen, hogy a CISS-effektus szerepet játszik a biológiai homokiralitás növekedésében, miután a Harvardon a csillagász által vezetett csapat meghívta őket, hogy dolgozzanak együtt egy hipotézis kidolgozásában. Dimitar Sasselov és végzős hallgatója S. Furkan Ozturk.

Fizikai perspektíva

Ozturk, a legújabb tanulmányok fiatal vezető szerzője 2020-ban találkozott a homokiralitás problémájával, amikor a Harvardon végzett fizikát végzett. Elégedetlen az ultrahideg atomokat használó kvantumszimulációkkal kapcsolatos kutatásaival, átlapozott egy tudományos magazint, amely a világ 125 legnagyobb titkát részletezte, és megismerte a homokiralitást.

"Valóban úgy nézett ki, mint egy fizikakérdés, mert a szimmetriákról szól" - mondta. Miután megkereste Sasselovot, aki a Harvard Origins of Life Initiative igazgatója, és akit már érdekelt a homokiralitás kérdése, Ozturk átállt, hogy diák legyen a laborjában.

Ozturk és Sasselov hamarosan rátalált a CISS-effektuson alapuló ötletre. Olyan ősi környezetet képzeltek el, mint egy sekély tó, ahol a felszínek tele vannak mágneses ásványokkal, és a víz a nukleotidok királis prekurzorainak keverékét tartalmazza. Azt feltételezték, hogy az ultraibolya fény sok elektront kilökhetett volna a mágneses felületekről, és ezek közül sok elektronnak ugyanolyan spinje lett volna. A kilökött elektronok előnyösen kölcsönhatásba léphettek specifikus enantiomerekkel, és a keletkező kémiai reakciók előnyösen jobbkezes RNS-prekurzorokat állítottak össze.

2022 áprilisában Oztürk Naaman izraeli laboratóriumába utazott, és izgatott volt a hipotézisük tesztelésének lehetőségétől. Izgatottsága rövid ideig tartott. A következő hónapban, amikor Naamánnal dolgozott, az ötlet szétesett. „Nem működött” – mondta Ozturk, és ezért csüggedten tért haza.

De aztán Ozturknak más ötlete támadt. Mi van, ha a CISS-hatás nem kémiai, hanem fizikai folyamatként nyilvánul meg?

Naaman csoportja kimutatta, hogy előnyösen használhatnak mágneses felületeket az enantiomerek kristályosítására. És a kristályosítás lenne a legegyszerűbb módja az enantiomerek tisztított gyűjteményének összeállításának. Ozturk említette ezt John Sutherland, munkatársuk az MRC Molekuláris Biológiai Laboratóriumában az Egyesült Királyságban „És azt mondtam, hagyjunk fel mindent, ami az elektronokkal kapcsolatos, és csak a kristályosodásra összpontosítson” – mondta Sutherland.

Sutherlandet izgatta a kristályosítási szempont, mert ő és csapata már egymástól függetlenül felfedezték, hogy a ribo-aminooxazolin (RAO) nevű RNS-prekurzor képes szintetizálni az RNS négy építőköve közül kettőt. A RAO is „gyönyörűen kristályosodik” – mondta Sutherland. Amint a felülethez vonzódó enantiomerből kristálymag képződik, a kristály előnyösen úgy növekszik, hogy több ugyanabból az enantiomerből épül fel.

Ozturk emlékszik, hogy Sutherland azt mondta neki, hogy „vége lenne a játéknak”, ha a CISS-effektus ötlete működne. – Mert olyan egyszerű volt – mondta Ozturk. "Egy olyan molekulán csinálták, amely annyira központi szerepet játszott az életkémia eredetében, hogy ha sikerül homokirálissá tenni azt a molekulát, akkor az egész rendszert homokirálissá teheti."

Ozturk a Harvard laborban dolgozott. Magnetit felületeket helyezett egy Petri-csészére, és megtöltötte egy olyan oldattal, amely egyenlő mennyiségű bal- és jobbkezes RAO-molekulát tartalmazott. Ezután mágnesre helyezte az edényt, hűtőbe tette a kísérletet, és megvárta, amíg megjelennek az első kristályok. A csapat először azt találta, hogy a kristályok 60%-a egykezes. Amikor megismételték a folyamatot, kristályaik 100%-ban azonos kiralitásúak voltak.

Amint arról egy júniusban publikált tanulmányban beszámoltak Tudomány előlegek, ha egyféleképpen mágnesezték a felületet, olyan kristályokat hoztak létre, amelyek tisztán jobbkezesek voltak; ha másfelé mágnesezték, a kristályok tisztán balkezesek voltak. "Nagyon meglepődtem, mert nagyon jól ismerem azokat a kísérleteket, amelyek nem működnek" - mondta Ozturk. De ez „bűbájként működött”.

Ozturk az íróasztala mögött tartja az üres üveg pezsgőt, amelyet Sasselov és a csapat egy ünnepi vacsorán osztottak meg.

Szorzás és erősítés

De még mindig volt egy nagy problémájuk: a kísérletükben használt mágnes körülbelül 6,500-szor erősebb volt, mint a Föld mágneses tere.

Így Ozturk tavaly novemberben visszatért a Weizmann Intézetbe, majd ő és Naamann egy nyomon követési kísérleten dolgoztak, amelyben egyáltalán nem használtak külső mágneses teret. Ehelyett azt találták, hogy amikor a királis molekulák adszorbeálódnak a mágneses felületeken, erősen lokális mágneses teret hoztak létre a felszínen, amely akár 50-szer akkora volt, mint a Föld mágneses tere. Eredményeiket egy lektorált folyóirat elfogadta, de még nem tették közzé.

„Mágnesezésre kényszeríted a környéket, ami még könnyebbé teszi a kristályok folyamatos kialakulását” – mondta Joyce. Ez az önfenntartó hatás hihetővé teszi a forgatókönyvet – tette hozzá.

Athavale egyetért. Az a tény, hogy nincs szükség erős mágneses térre a CISS-effektus létrejöttéhez, „nagyon szép, mert most egy lehetséges geológiai környezetet láthattunk” – mondta.

De a homokiralitás megteremtésének igazi kulcsa annak megvizsgálása, hogy a hatást miként lehetett felerősíteni kölcsönható molekulák hálózatán keresztül. „Nem az a legfontosabb szempont, hogy sikerült egy újabb módot találnunk a királis termék beszerzésére” – mondta Sasselov, hanem az, hogy csoportja megtalálta az utat a homokirális hálózat létrehozásához.

A borítóján található papírban The Journal of Chemical Physics augusztusban Ozturk, Sasselov és Sutherland modellt javasoltak arra vonatkozóan, hogy a királis információ hogyan terjedhet a prebiotikus hálózaton keresztül. Sutherland és csoportja korábban kimutatta, hogy a jobbkezes transzfer RNS-molekulák analógjai – amelyek megkötik az aminosavakat és a riboszómához juttatják őket fehérjék előállításához – 10-szer gyorsabban kapcsolódnak a balkezes aminosavakhoz, mint a jobbkezesekhez. A felfedezés arra utal, hogy a királis RNS elsősorban ellentétes kiralitású fehérjéket állít elő, amint az a természetben látható. Amint a kutatók a cikkben írták: "Ezért a biológiai homokiralitás problémája lecsökkenthető arra, hogy egyetlen közös RNS-prekurzort (pl. RAO) homokirálissá tehessenek."

A tanulmány nem magyarázta meg közvetlenül, hogy az élet által preferált nukleotidok miért jobbkezesek, az aminosavak pedig balkezesek, mondta Ozturk. De ezek az új eredmények azt sugallják, hogy a meghatározó tényező a Föld mezeje által kiváltott mágnesezettség volt. Athavale megjegyezte, hogy még ha a kristályosodási folyamat 100 őstóban is megtörténik, a Föld mágneses tere biztosítaná, hogy mindannyian ugyanolyan kezességű prekurzorokat állítsanak elő, nem pedig keveréket.

Joyce megjegyezte, hogy van egy „menő kis csavar”, ha a mágneses tér ilyen torzítást ad: ha az élet az északi féltekén indult, és egykezes molekulákat részesített volna előnyben, akkor az ellenkező kezességet mutatott volna, ha a déli féltekén keletkezett volna.

Athavale megjegyezte, hogy a molekulacsaládok közötti kiralitás terjedése még mindig erősen hipotetikus, bár jó, ha elgondolkodtatjuk az embereket. Sasselov egyetért. "A cikk célja, hogy motiválja az embereket, hogy menjenek el és végezzék el ezeket a kísérleteket" - mondta.

Wentao Ma, a kínai Wuhan Egyetem élettörténeti kutatója szerint az új tanulmányok „érdekes előrelépést” jeleznek. De látnia kell, hogy a CISS-effektus az RNS polimerizációjához vezet, hogy teljes válasznak lássa. „Ha el tudják érni ezt az eredményt, úgy gondolom, nem vagyunk messze a… megoldástól” – mondta.

„Nagyon szeretem a CISS-effektust” – mondta Noémie Globus, egy asztrofizikus, aki a homokiralitás problémáján dolgozik. A lány szerint meggyőzőbb lenne, ha a kutatók megvizsgálnák, hogy a túlzott aminosavakat tartalmazó meteoritok (amelyeket korábban is találtak) tartalmaznak-e felesleges mágneses részecskéket. Azt is megjegyezte, hogy a különböző elméleti mechanizmusok mind létrehozhatták a homokiralitást különböző molekulákban.

Jeffrey Bada, a San Diego-i Kaliforniai Egyetem Scripps Oceanográfiai Intézetének emeritus professzora szkeptikus az ötlettel kapcsolatban. Nem hiszi el, hogy az RNS-t ősi körülmények között szintetizálhatták volna az első önreplikálódó molekulaként. "Senki sem készített RNS-t prebiotikus kontextusban" - mondta, mert túl sok probléma van a molekula stabilitásával.

Sutherland csapata még mindig azon dolgozik, hogy bemutassa, a másik két típusú nukleotid előállítható az RNS-prekurzor molekulából. – Azt hiszem, rohadt közel vagyunk – mondta Sutherland. – De a csoportom elmondja, hogy 22 éve mondom ezt.

Függetlenül attól, hogy a CISS-effektus a megoldást, a megoldás egy részét vagy a megoldás hiányát jelenti-e, vannak kézenfekvő következő lépések a teszteléshez. „Egy szép hipotézis minden aspektusa megvan benne, amikor valami kreatívat, valami megvalósíthatót talál ki, és aztán valamit, ami végül tesztelhető” – mondta Athavale. A legmeggyőzőbb következő lépés szerinte az lenne, ha geológiai bizonyítékokat mutatnának be arra vonatkozóan, hogy a folyamat a laboratóriumon kívül is megtörténhetett.

Egy Zoom-hívás során Ozturk felemelt egy lapos fekete sziklát, amelyet egy ausztráliai utazása során vett fel, egy olyan helyen, amely tele van mágneses vas sziklákkal, és azt reméli, hogy megismételheti kísérleteit. Emellett dinamikusabbá akarja tenni az ötlet jövőbeli tesztjeit: az őstavakban, ahol szerinte a korai molekulák keletkeztek, anyagáramok és anyagáramlások, valamint természetes „nedves-száraz” ciklusok, amelyeket esők és magas hőmérséklet vezéreltek volna, lehetővé tenné a kristályok kialakulását és feloldódását, képződését és feloldódását.

A szerkesztő megjegyzése: Sasselov és csoportja, valamint Joyce és Sutherland támogatást kapott a Simons Alapítvány, amely ezt is finanszírozza szerkesztőileg független folyóirat. A Simons Foundation finanszírozási döntései nincsenek hatással a fedezetünkre.