Magnetisme Mungkin Memberi Kehidupan Asimetri Molekulnya | Majalah Kuanta

Pada tahun 1848, ketika Louis Pasteur masih seorang ahli kimia muda yang masih beberapa tahun lagi akan menemukan cara mensterilkan susu, dia menemukan sesuatu yang aneh tentang kristal yang secara tidak sengaja terbentuk ketika seorang ahli kimia industri merebus anggur terlalu lama. Separuh dari kristal tersebut adalah asam tartarat, garam yang berguna untuk industri yang tumbuh secara alami di dinding tong anggur. Kristal lainnya memiliki bentuk dan simetri yang persis sama, tetapi satu permukaannya berorientasi pada arah yang berlawanan.

Perbedaannya begitu mencolok sehingga Pasteur dapat memisahkan kristal-kristal tersebut di bawah lensa pembesar dengan menggunakan pinset. “Mereka berhubungan satu sama lain seperti sebuah bayangan, di cermin, dalam kaitannya dengan benda nyata,” tulisnya dalam sebuah makalah pada tahun itu.

Meskipun Pasteur tidak mengetahuinya, dalam ampas anggur yang mengkristal itu, dia menemukan salah satu misteri terdalam tentang asal usul kehidupan di Bumi.

Apa yang dia lihat adalah campuran molekul asam tartarat yang memiliki komposisi atom identik dan susunan bayangan cermin dari atom-atom tersebut di ruang angkasa. Mereka mempunyai sifat yang kemudian disebut “kiralitas” yang diambil dari kata Yunani untuk “tangan”: Sama seperti tangan kiri dan kanan kita yang simetris dan saling berlawanan, versi (atau enantiomer) molekul asam tartarat yang berbentuk tangan kiri dan kanan juga memiliki sifat yang sama. berbeda dan tidak setara.

Pentingnya pengamatan Pasteur lebih dari sekadar penemuan kiralitas—ada juga alasan luar biasa mengapa ia melihatnya. Kristal sintetik merupakan campuran enansiomer asam tartarat karena proses perebusan memungkinkan versi tangan kiri dan kanan terbentuk dalam jumlah yang sama. Namun dalam kristal alami dari tong anggur, semua molekul asam tartarat adalah tangan kanan - karena buah anggur yang digunakan untuk membuat anggur, yang dipetik dari tanaman merambat yang masih hidup, hanya menghasilkan enansiomer tersebut.

Kiralitas adalah ciri khas kehidupan yang kita kenal. Berkali-kali, ahli biokimia menemukan bahwa ketika sel hidup menggunakan molekul kiral, mereka hanya menggunakan satu kiral saja. Gula yang menyusun DNA, misalnya, semuanya bertangan kanan. Asam amino yang menyusun protein semuanya kidal. Jika enantiomer yang salah dimasukkan ke dalam obat-obatan, efeknya terkadang bisa menjadi racun atau bahkan mematikan.

Beberapa peristiwa atau serangkaian peristiwa di awal sejarah kehidupan pasti telah “memecahkan cermin”, sebagaimana dikatakan oleh para ahli biokimia, yang melemparkan kehidupan ke dalam asimetri molekuler. Para ilmuwan memperdebatkan mengapa kehidupan menjadi homochiral, dan apakah hal itu perlu terjadi atau hanya sebuah kebetulan belaka. Apakah preferensi kiral pada masa awal kehidupan dipengaruhi oleh sampel molekul yang datang dari luar angkasa, atau apakah molekul-molekul tersebut berevolusi dari campuran yang bermula sebagai bagian yang sama antara sisi kanan dan kiri?

“Para ilmuwan dibuat bingung dengan pengamatan ini,” katanya Soumitra Athavale, asisten profesor kimia organik di Universitas California, Los Angeles. “Mereka telah mengajukan berbagai macam proposal selama bertahun-tahun, namun sulit untuk menghasilkan proposal yang benar-benar relevan secara geologis.” Selain itu, meskipun banyak teori yang dapat menjelaskan mengapa satu jenis molekul bisa menjadi homokiral, tidak satu pun teori yang menjelaskan mengapa seluruh jaringan biomolekul menjadi homokiral.

Baru-baru ini, sebuah kelompok di Universitas Harvard menerbitkan serangkaian makalah yang menyajikan solusi menarik tentang bagaimana homokiralitas kehidupan muncul. Mereka berpendapat bahwa permukaan magnetis pada mineral-mineral dalam perairan di bumi purba, yang diisi oleh medan magnet planet ini, dapat berfungsi sebagai “agen kiral” yang menarik beberapa bentuk molekul lebih dari yang lain, sehingga memicu proses yang memperkuat sifat kiral dari molekul-molekul tersebut. molekul biologis, mulai dari prekursor RNA hingga protein dan seterusnya. Mekanisme yang mereka usulkan akan menjelaskan bagaimana bias dalam susunan molekul tertentu dapat menyebar ke luar dan menciptakan jaringan kimia kiral yang luas yang mendukung kehidupan.

Ini bukan satu-satunya hipotesis yang masuk akal, namun “ini salah satu hipotesis paling keren karena menghubungkan geofisika dengan geokimia, dengan kimia prebiotik, [dan] pada akhirnya dengan biokimia,” kata Gerald Joyce, seorang ahli biokimia dan presiden Salk Institute yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Ia juga terkesan bahwa hipotesis tersebut didukung oleh “eksperimen aktual” dan bahwa “mereka melakukan hal ini dalam kondisi yang realistis.”

Efek CISS

Akar teori baru tentang homokiralitas sudah ada sejak hampir seperempat abad yang lalu Ron Naaman, seorang profesor fisika kimia di Weizmann Institute of Science di Israel, dan timnya menemukan efek kritis dari molekul kiral. Penelitian mereka berfokus pada fakta bahwa elektron memiliki dua sifat utama: Mereka membawa muatan negatif, dan mereka memiliki “spin,” sebuah sifat kuantum yang analog dengan rotasi intrinsik searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Ketika molekul berinteraksi dengan molekul atau permukaan lain, elektronnya dapat mendistribusikan ulang dirinya sendiri, mempolarisasi molekul dengan menciptakan muatan negatif di tujuannya dan muatan positif di titik awalnya.

Naaman dan timnya menemukan bahwa molekul kiral menyaring elektron berdasarkan arah putarannya. Elektron dengan satu orientasi spin akan bergerak lebih efisien melintasi molekul kiral dalam satu arah dibandingkan yang lain. Elektron dengan spin berlawanan bergerak lebih bebas ke arah lain.

Untuk memahami alasannya, bayangkan melempar Frisbee yang melirik ke dinding lorong. Jika Frisbee menabrak dinding sebelah kanan, ia akan memantul ke depan hanya jika berputar searah jarum jam; jika tidak, ia akan memantul ke belakang. Hal sebaliknya akan terjadi jika Anda memukul Frisbee dari dinding sebelah kiri. Demikian pula, molekul kiral “menyebarkan elektron sesuai dengan arah rotasinya,” kata Naaman. Dia dan timnya menamakan fenomena ini sebagai efek kiral-induksi putaran selektivitas (CISS).

Karena hamburan tersebut, elektron dengan spin tertentu akhirnya berkumpul di salah satu kutub molekul kiral (dan versi molekul kanan dan kiri mengumpulkan spin berlawanan di kutubnya masing-masing). Namun redistribusi putaran tersebut mempengaruhi bagaimana molekul kiral berinteraksi dengan permukaan magnet karena elektron yang berputar dalam arah berlawanan akan menarik satu sama lain, dan elektron yang berputar dalam arah yang sama akan menolak satu sama lain.

Akibatnya, ketika molekul kiral mendekati permukaan magnet, molekul tersebut akan tertarik lebih dekat jika molekul dan permukaan tersebut mempunyai bias spin yang berlawanan. Jika putarannya cocok, mereka akan saling tolak menolak. (Karena interaksi kimia lainnya juga terjadi, molekul tidak bisa begitu saja membalik untuk menyelaraskan dirinya sendiri.) Jadi permukaan magnetis dapat bertindak sebagai zat kiral, yang lebih disukai berinteraksi hanya dengan satu enantiomer suatu senyawa.

Pada tahun 2011, bekerja sama dengan tim di Universitas Münster Jerman, Naaman dan timnya mengukur putarannya elektron saat mereka bergerak melalui DNA beruntai ganda, menegaskan bahwa efek CISS nyata dan kuat.

Saat itulah penelitian mengenai efek dan kemungkinan penerapannya “mulai berkembang pesat,” kata Naaman. Dia dan timnya, misalnya, mengembangkan beberapa cara untuk menggunakan efek CISS untuk menghilangkan kotoran dari biomedis, atau untuk mengecualikan enansiomer yang salah dari obat untuk mencegah efek samping yang besar. Mereka juga mengeksplorasi bagaimana efek CISS dapat membantu menjelaskan hal tersebut mekanisme anestesi.

Namun mereka baru mulai serius mengerjakan gagasan bahwa efek CISS berperan dalam munculnya homokiralitas biologis setelah mereka diundang untuk berkolaborasi dalam sebuah hipotesis oleh tim di Harvard yang dipimpin oleh astronom tersebut. Dimitar Sasselov dan mahasiswa pascasarjananya S.Furkan Ozturk.

Perspektif Fisika

Ozturk, penulis utama makalah baru-baru ini, menemukan masalah homokiralitas pada tahun 2020 ketika dia masih menjadi mahasiswa pascasarjana fisika di Harvard. Tidak senang dengan penelitiannya tentang simulasi kuantum yang menggunakan atom ultradingin, dia membuka-buka majalah sains yang merinci 125 misteri terbesar di dunia dan mempelajari tentang homokiralitas.

“Kelihatannya seperti soal fisika karena soal simetri,” katanya. Setelah menghubungi Sasselov, yang merupakan direktur Inisiatif Asal Usul Kehidupan Harvard dan sudah tertarik dengan pertanyaan tentang homokiralitas, Ozturk beralih menjadi mahasiswa di labnya.

Ozturk dan Sasselov segera menemukan ide berdasarkan efek CISS. Mereka membayangkan lingkungan purba seperti danau dangkal yang permukaannya penuh dengan mineral magnetis dan airnya mengandung campuran prekursor kiral hingga nukleotida. Mereka berteori bahwa sinar ultraviolet dapat mengeluarkan banyak elektron dari permukaan magnet, dan banyak dari elektron tersebut memiliki putaran yang sama. Elektron yang dikeluarkan kemudian mungkin berinteraksi secara istimewa dengan enantiomer tertentu, dan reaksi kimia yang dihasilkan mungkin kemudian secara istimewa menyusun prekursor RNA tangan kanan.

Pada bulan April 2022, Ozturk pergi ke laboratorium Naaman di Israel, sangat senang dengan prospek pengujian hipotesis mereka. Kegembiraannya hanya berumur pendek. Pada bulan berikutnya ketika dia bekerja dengan Naaman, idenya gagal. Itu “tidak berhasil,” kata Ozturk, lalu dia kembali ke rumah dengan perasaan sedih.

Tapi kemudian Ozturk punya ide lain. Bagaimana jika efek CISS tidak terwujud sebagai proses kimia namun secara fisik?

Kelompok Naaman telah menunjukkan bahwa mereka dapat menggunakan permukaan magnet untuk mengkristalkan enansiomer secara istimewa. Dan kristalisasi akan menjadi cara termudah untuk mengumpulkan kumpulan enansiomer yang dimurnikan. Ozturk menyebutkan hal itu kepada John Sutherland, kolaborator mereka di Laboratorium Biologi Molekuler MRC di Inggris “Dan saya berkata, tinggalkan segala sesuatu yang berhubungan dengan elektron dan fokus saja pada kristalisasi,” kata Sutherland.

Sutherland sangat antusias dengan aspek kristalisasi karena dia dan timnya telah secara independen menemukan bahwa prekursor RNA yang disebut ribo-aminooxazoline (RAO) dapat mensintesis dua dari empat bahan penyusun RNA. RAO juga “mengkristal dengan indah,” kata Sutherland. Setelah benih kristal terbentuk dari enansiomer yang tertarik ke permukaan, kristal tersebut akan tumbuh dengan memasukkan lebih banyak enansiomer yang sama.

Ozturk ingat Sutherland mengatakan kepadanya bahwa “permainan berakhir” akan terjadi jika ide efek CISS berhasil. “Karena itu sangat sederhana,” kata Ozturk. “Hal ini dilakukan pada molekul yang sangat penting dalam kimia asal usul kehidupan sehingga jika Anda berhasil menjadikan molekul tersebut homokiral, Anda dapat membuat seluruh sistem menjadi homokiral.”

Ozturk mulai bekerja di laboratorium Harvard. Dia meletakkan permukaan magnetit ke dalam cawan petri dan mengisinya dengan larutan yang mengandung molekul RAO ​​kiri dan kanan dalam jumlah yang sama. Dia kemudian meletakkan piringan itu di atas magnet, meletakkan percobaannya di lemari es dan menunggu kristal pertama muncul. Pada awalnya, tim menemukan bahwa 60% kristal hanya digunakan dengan satu tangan. Ketika mereka mengulangi proses tersebut, kristal mereka memiliki kiralitas yang 100% sama.

Seperti yang mereka laporkan dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada bulan Juni di Kemajuan ilmu pengetahuan, jika mereka menarik permukaan ke satu arah, mereka menciptakan kristal yang murni bertangan kanan; jika mereka memagnetkannya dengan cara lain, kristal tersebut murni kidal. “Saya sangat terkejut, karena saya sangat paham dengan eksperimen yang tidak berhasil,” kata Ozturk. Tapi yang ini “berhasil dengan sangat baik.”

Di belakang mejanya, Ozturk menyimpan sebotol sampanye kosong yang dibagikan Sasselov dan timnya saat makan malam perayaan.

Lipat gandakan dan Perkuat

Namun mereka masih mempunyai masalah besar: Magnet yang mereka gunakan dalam percobaan mereka sekitar 6,500 kali lebih kuat dari medan magnet bumi.

Jadi Ozturk kembali ke Institut Weizmann November lalu, dan dia serta Naaman kemudian mengerjakan eksperimen lanjutan di mana mereka tidak menggunakan medan magnet eksternal sama sekali. Sebaliknya, mereka menemukan bahwa ketika molekul kiral diserap ke permukaan magnet, mereka menciptakan medan magnet lokal di atas permukaan yang 50 kali lebih kuat dari medan magnet bumi. Temuan mereka telah diterima oleh jurnal peer-review tetapi belum dipublikasikan.

“Anda memaksa lingkungan sekitar untuk menjadi magnet, yang membuat kristal lebih mudah untuk terus terbentuk,” kata Joyce. Efek yang terus berlanjut ini membuat skenario ini masuk akal, tambahnya.

Athavale setuju. Fakta bahwa Anda tidak memerlukan medan magnet yang tinggi untuk terjadinya efek CISS adalah “sangat bagus, karena sekarang Anda telah melihat kemungkinan pengaturan geologi,” katanya.

Namun kunci sebenarnya untuk menciptakan homokiralitas adalah dengan melihat bagaimana efeknya dapat diperkuat di seluruh jaringan molekul yang berinteraksi. “Aspek terpenting dari semua ini bukanlah bahwa kami berhasil menemukan cara lain untuk mendapatkan produk kiral,” kata Sasselov, namun kelompoknya telah menemukan cara untuk menciptakan jaringan homochiral.

Dalam sebuah makalah yang ditampilkan di sampul Jurnal Fisika Kimia pada bulan Agustus, Ozturk, Sasselov dan Sutherland mengusulkan model bagaimana informasi kiral dapat menyebar ke seluruh jaringan prebiotik. Sutherland dan kelompoknya sebelumnya telah menunjukkan bahwa analog dari molekul RNA transfer tangan kanan – yang mengikat asam amino dan membawanya ke ribosom untuk membuat protein – terhubung ke asam amino tangan kiri 10 kali lebih cepat dibandingkan dengan asam amino tangan kanan. Temuan ini menunjukkan bahwa RNA kiral secara istimewa membuat protein dengan sifat kiralitas yang berlawanan, seperti yang terlihat di alam. Seperti yang ditulis para peneliti di makalahnya: “Oleh karena itu, masalah homokiralitas biologis dapat dikurangi untuk memastikan bahwa satu prekursor RNA yang umum (misalnya, RAO) dapat dibuat homokiral.”

Studi ini tidak secara langsung menjelaskan mengapa nukleotida yang disukai dalam kehidupan adalah yang bertangan kanan dan asam aminonya bertangan kiri, kata Ozturk. Namun temuan baru ini menunjukkan bahwa faktor penentunya adalah magnetisasi yang disebabkan oleh medan bumi. Athavale mencatat bahwa bahkan jika proses kristalisasi terjadi di 100 danau purba, medan magnet bumi akan memastikan bahwa semuanya menghasilkan prekursor dengan sifat yang sama dan bukan campuran.

Joyce mencatat bahwa ada “pelintiran kecil yang keren” jika medan magnet memberikan bias seperti itu: Jika kehidupan dimulai di belahan bumi utara dan menyukai molekul dengan satu tangan, maka kehidupan akan menunjukkan kebalikannya jika kehidupan muncul di belahan bumi selatan.

Penyebaran kiralitas antar kelompok molekul masih sangat hipotetis, kata Athavale, meskipun hal ini bagus untuk membuat orang berpikir. Sasselov setuju. “Ide makalah ini adalah untuk memotivasi orang agar melakukan eksperimen ini,” katanya.

Wentao Bu, seorang peneliti asal usul kehidupan di Universitas Wuhan di Tiongkok, mengatakan bahwa makalah baru ini menandai “kemajuan yang menarik.” Namun dia perlu melihat efek CISS yang mengarah pada polimerisasi RNA untuk melihatnya sebagai jawaban yang lengkap. “Jika mereka bisa mencapai hasil ini, saya pikir kita tidak jauh dari… solusi,” katanya.

“Saya sangat menyukai efek CISS,” katanya Noemie Globus, seorang ahli astrofisika yang menangani masalah homokiralitas. Apa yang lebih persuasif, katanya, adalah bagi para peneliti untuk memeriksa apakah meteorit yang mengandung asam amino berlebih dengan sifat tertentu (yang telah ditemukan sebelumnya) juga mengandung partikel magnet berlebih. Dia juga mencatat bahwa mekanisme teori yang berbeda bisa saja menciptakan homokiralitas dalam molekul yang berbeda.

Jeffrey Bada, seorang profesor emeritus di Scripps Institution of Oceanography di Universitas California, San Diego, skeptis terhadap gagasan tersebut. Dia tidak percaya bahwa RNA dapat disintesis dalam kondisi primordial sebagai molekul pertama yang dapat mereplikasi diri. “Tidak ada yang membuat RNA dalam konteks prebiotik,” katanya, karena ada terlalu banyak masalah dengan stabilitas molekul.

Tim Sutherland masih berupaya menunjukkan bahwa dua jenis nukleotida lainnya dapat dibuat dari molekul prekursor RNA. “Saya pikir kita sudah sangat dekat,” kata Sutherland. “Tetapi kelompok saya akan memberi tahu Anda bahwa saya telah mengatakan hal itu selama 22 tahun.”

Apakah efek CISS mewakili solusi, bagian dari solusi, atau tidak ada solusi sama sekali, ada langkah selanjutnya yang jelas untuk mengujinya. “Ini mempunyai semua aspek hipotesis yang bagus di mana Anda menghasilkan sesuatu yang kreatif, sesuatu yang layak, dan kemudian sesuatu yang pada akhirnya dapat diuji,” kata Athavale. Langkah paling meyakinkan selanjutnya, menurutnya, adalah menunjukkan bukti geologis bahwa proses tersebut bisa saja terjadi di luar laboratorium.

Melalui panggilan Zoom, Ozturk mengangkat sebuah batu hitam datar yang dia ambil dalam perjalanan ke Australia, tempat yang dipenuhi dengan batu besi magnetis yang dia harap dapat meniru eksperimennya. Dia juga ingin membuat pengujian gagasan tersebut di masa depan menjadi lebih dinamis: Danau-danau purba tempat molekul-molekul awal terbentuk, menurutnya, memiliki aliran dan aliran material, serta siklus alami “basah-kering” yang didorong oleh hujan dan suhu tinggi, yang akan memungkinkan kristal terbentuk dan larut, terbentuk dan larut.

Editor catatan: Sasselov dan kelompoknya, serta Joyce dan Sutherland, telah menerima dana dari Yayasan Simons, yang juga mendanai ini majalah editorial independen. Keputusan pendanaan Yayasan Simons tidak berpengaruh pada liputan kami.