Il magnetismo potrebbe aver dato alla vita la sua asimmetria molecolare | Rivista Quanti

Nel 1848, quando Louis Pasteur era un giovane chimico ancora lontano dallo scoprire come sterilizzare il latte, scoprì qualcosa di peculiare riguardo ai cristalli che si formavano accidentalmente quando un chimico industriale faceva bollire il vino per troppo tempo. La metà dei cristalli erano riconoscibilmente acido tartarico, un sale utile a livello industriale che cresceva naturalmente sulle pareti delle botti di vino. Gli altri cristalli avevano esattamente la stessa forma e simmetria, ma una faccia era orientata nella direzione opposta.

La differenza era così netta che Pasteur poteva separare i cristalli sotto una lente d'ingrandimento con una pinzetta. "Sono in relazione l'uno con l'altro come un'immagine è, in uno specchio, in relazione alla cosa reale", scrisse in un articolo quell'anno.

Sebbene Pasteur non lo sapesse, nella feccia cristallizzata di quel vino, si era imbattuto in uno dei misteri più profondi sulle origini della vita sulla Terra.

Ciò che stava vedendo era una miscela di molecole di acido tartarico che avevano composizioni atomiche identiche e disposizioni speculari di quegli atomi nello spazio. Avevano la proprietà in seguito chiamata “chiralità” dalla parola greca per “mano”: proprio come le nostre mani sinistra e destra sono simmetriche opposte l’una dell’altra, le versioni sinistrorse e destrorse (o enantiomeri) delle molecole di acido tartarico sono distinti e non equivalenti.

L'importanza dell'osservazione di Pasteur andava oltre la scoperta della chiralità: c'era anche la straordinaria ragione per cui la vedeva. I cristalli sintetici erano una miscela degli enantiomeri dell'acido tartarico perché il processo di ebollizione consentiva la formazione di versioni destrorse e mancine in numero uguale. Ma nei cristalli naturali delle botti di vino, tutte le molecole di acido tartarico erano destrorse, perché l’uva utilizzata per il vino, raccolta da viti vive, produceva solo quell’enantiomero.

La chiralità è una firma della vita come la conosciamo. Più e più volte, i biochimici hanno scoperto che quando le cellule viventi usano molecole chirali, usano esclusivamente una chiralità. Gli zuccheri che compongono il DNA, ad esempio, sono tutti destrorsi. Gli amminoacidi che compongono le proteine ​​sono tutti mancini. Se gli enantiomeri sbagliati entrano nei prodotti farmaceutici, gli effetti possono talvolta essere tossici o addirittura letali.

Qualche evento o serie di eventi all’inizio della storia della vita deve aver “rotto lo specchio”, come dicono i biochimici, gettando la vita nell’asimmetria molecolare. Gli scienziati hanno discusso del perché la vita sia diventata omochirale e se fosse necessario che accadesse o se si sia trattato di un puro caso. Le preferenze chirali sono state impresse nei primi anni di vita da campioni distorti di molecole arrivate dallo spazio, o si sono in qualche modo evolute da miscele che iniziarono come parti uguali destrorse e mancine?

"Gli scienziati sono rimasti sconcertati da questa osservazione", ha detto Soumitra Athavale, assistente professore di chimica organica presso l'Università della California, Los Angeles. "Nel corso degli anni hanno presentato proposte di ogni tipo, ma è difficile arrivare a proposte che siano effettivamente rilevanti dal punto di vista geologico." Inoltre, mentre molte teorie potevano spiegare perché un tipo di molecola avrebbe potuto diventare omochirale, nessuna di esse spiegava il motivo per cui intere reti di biomolecole lo fossero state.

Recentemente, un gruppo dell'Università di Harvard ha pubblicato una serie di articoli che presentano una soluzione interessante su come è emersa l'omochiralità della vita. Essi suggeriscono che le superfici magnetiche dei minerali presenti nei corpi idrici della Terra primordiale, caricati dal campo magnetico del pianeta, avrebbero potuto fungere da “agenti chirali” che attraevano alcune forme di molecole più di altre, dando il via a un processo che amplificava la chiralità delle molecole. molecole biologiche, dai precursori dell'RNA fino alle proteine ​​e oltre. Il meccanismo proposto spiegherebbe come una distorsione nella composizione di alcune molecole potrebbe essersi riversata verso l’esterno per creare una vasta rete di chimica chirale a supporto della vita.

Non è l'unica ipotesi plausibile, ma "è una delle più interessanti perché lega la geofisica alla geochimica, alla chimica prebiotica e, in ultima analisi, alla biochimica", ha affermato Gerald Joyce, un biochimico e presidente del Salk Institute che non è stato coinvolto nello studio. È anche colpito dal fatto che l’ipotesi sia supportata da “esperimenti reali” e che “lo stanno facendo in condizioni realistiche”.

L'effetto CISS

Le radici della nuova teoria sull'omochiralità risalgono a quasi un quarto di secolo fa Ron Naaman, professore di fisica chimica presso il Weizmann Institute of Science in Israele, e il suo team hanno scoperto un effetto critico delle molecole chirali. Il loro lavoro si è concentrato sul fatto che gli elettroni hanno due proprietà chiave: trasportano una carica negativa e hanno “spin”, una proprietà quantistica analoga alla rotazione intrinseca in senso orario o antiorario. Quando le molecole interagiscono con altre molecole o superfici, i loro elettroni possono ridistribuirsi, polarizzando le molecole creando una carica negativa nel punto di destinazione e una carica positiva nel punto di partenza.

Naaman e il suo team hanno scoperto che le molecole chirali filtrano gli elettroni in base alla direzione del loro spin. Gli elettroni con un orientamento di spin si sposteranno in modo più efficiente attraverso una molecola chirale in una direzione rispetto all'altra. Gli elettroni con spin opposto si muovono più liberamente nella direzione opposta.

Per capire perché, immagina di lanciare un frisbee che rimbalza sul muro di un corridoio. Se il frisbee colpisce la parete destra, rimbalzerà in avanti solo se ruota in senso orario; altrimenti rimbalzerà all'indietro. Se colpisci il frisbee contro la parete sinistra accadrà il contrario. Allo stesso modo, le molecole chirali “disperdono gli elettroni secondo la loro direzione di rotazione”, ha detto Naaman. Lui e il suo team hanno chiamato questo fenomeno effetto di selettività di spin indotta da chirale (CISS).

A causa di questa dispersione, gli elettroni con un dato spin finiscono per aggregarsi in un polo di una molecola chirale (e le versioni destrorse e mancine della molecola raccolgono spin opposti nei rispettivi poli). Ma questa ridistribuzione degli spin influenza il modo in cui le molecole chirali interagiscono con le superfici magnetiche perché gli elettroni che ruotano in direzioni opposte si attraggono l’un l’altro, e quelli che ruotano nella stessa direzione si respingono a vicenda.

Di conseguenza, quando una molecola chirale si avvicina a una superficie magnetica, verrà avvicinata se la molecola e la superficie hanno polarizzazioni di spin opposte. Se i loro giri corrispondono, si respingeranno a vicenda. (Poiché sono in corso anche altre interazioni chimiche, la molecola non può semplicemente capovolgersi per riallinearsi.) Quindi una superficie magnetica può agire come un agente chirale, interagendo preferenzialmente con un solo enantiomero di un composto.

Nel 2011, in collaborazione con un team dell'Università di Münster in Germania, Naaman e il suo team misurato lo spin di elettroni mentre si muovevano attraverso il DNA a doppio filamento, confermando che l’effetto CISS è reale e forte.

Fu allora che la ricerca sull'effetto e sulle sue possibili applicazioni “cominciò a prosperare”, ha detto Naaman. Lui e il suo team, ad esempio, hanno sviluppato diversi modi per utilizzare l'effetto CISS per rimuovere le impurità dai biomedicinali o per escludere gli enantiomeri sbagliati dai farmaci per prevenire gravi effetti collaterali. Hanno anche esplorato come l'effetto CISS potrebbe aiutare a spiegare il fenomeno meccanismi dell'anestesia.

Ma hanno iniziato a lavorare seriamente sull’idea che l’effetto CISS abbia un ruolo nell’aumento dell’omochiralità biologica solo dopo essere stati invitati a collaborare su un’ipotesi da un team di Harvard guidato dall’astronomo. Dimitar Sasselov e il suo studente laureato S. Furkan Ozturk.

Una prospettiva fisica

Ozturk, il giovane autore principale degli articoli recenti, si è imbattuto nel problema dell’omochiralità nel 2020 quando era uno studente laureato in fisica ad Harvard. Insoddisfatto della sua ricerca sulle simulazioni quantistiche utilizzando atomi ultrafreddi, sfogliò una rivista scientifica che descriveva in dettaglio 125 dei più grandi misteri del mondo e apprese l'omochiralità.

"Sembrava davvero una questione di fisica perché riguarda le simmetrie", ha detto. Dopo aver contattato Sasselov, che è il direttore della Origins of Life Initiative di Harvard e che era già interessato alla questione dell'omochiralità, Ozturk è diventato uno studente nel suo laboratorio.

Ozturk e Sasselov hanno presto avuto un'idea basata sull'effetto CISS. Immaginavano un ambiente primordiale come un lago poco profondo dove c'erano superfici piene di minerali magnetici e l'acqua conteneva una miscela di precursori chirali dei nucleotidi. Teorizzarono che la luce ultravioletta avrebbe potuto espellere molti elettroni dalle superfici magnetiche e molti di quegli elettroni avrebbero avuto lo stesso spin. Gli elettroni espulsi potrebbero quindi aver interagito preferenzialmente con enantiomeri specifici e le reazioni chimiche risultanti potrebbero quindi aver assemblato preferenzialmente precursori di RNA destrimano.

Nell'aprile 2022, Ozturk si è recato al laboratorio di Naaman in Israele, entusiasta della prospettiva di testare la loro ipotesi. La sua eccitazione fu di breve durata. Nel corso del mese successivo, mentre lavorava con Naaman, l'idea andò in pezzi. “Non ha funzionato”, ha detto Ozturk, e così è tornato a casa, abbattuto.

Ma poi Ozturk ebbe un'altra idea. E se l'effetto CISS non si manifestasse come un processo chimico ma fisico?

Il gruppo di Naaman aveva dimostrato di poter utilizzare superfici magnetiche per cristallizzare preferenzialmente gli enantiomeri. E la cristallizzazione sarebbe il modo più semplice per assemblare raccolte purificate di enantiomeri. Ozturk ne ha parlato Giovanni Sutherland, loro collaboratore presso il Laboratorio di Biologia Molecolare MRC nel Regno Unito "E ho detto, abbandonate tutto ciò che ha a che fare con gli elettroni e concentratevi solo sulla cristallizzazione", ha detto Sutherland.

Sutherland era entusiasta dell'aspetto della cristallizzazione perché lui e il suo team avevano già scoperto in modo indipendente che un precursore dell'RNA chiamato ribo-aminoossazolina (RAO) può sintetizzare due dei quattro elementi costitutivi dell'RNA. Anche il RAO ​​“cristallizza magnificamente”, ha detto Sutherland. Una volta che si forma un seme di cristallo dall'enantiomero attratto dalla superficie, il cristallo cresce preferibilmente incorporando una quantità maggiore dello stesso enantiomero.

Ozturk ricorda che Sutherland gli disse che il gioco sarebbe finito se l'idea dell'effetto CISS avesse funzionato. "Perché era così semplice", ha detto Ozturk. "Lo stava facendo su una molecola così centrale per l'origine della chimica della vita che se riesci a rendere omochirale quella molecola, puoi rendere omochirale l'intero sistema."

Ozturk iniziò a lavorare nel laboratorio di Harvard. Ha messo le superfici della magnetite su una capsula di Petri e l'ha riempita con una soluzione contenente quantità uguali di molecole RAO levogire e levogire. Poi ha messo il piatto su una calamita, ha messo l'esperimento in frigorifero e ha aspettato che apparissero i primi cristalli. Inizialmente, il team ha scoperto che il 60% dei cristalli erano stati raccolti con una sola mano. Quando hanno ripetuto il processo, i loro cristalli avevano il 100% della stessa chiralità.

Come riportato in uno studio pubblicato a giugno nel Anticipi Scienza, se magnetizzavano la superficie in un modo, creavano cristalli puramente destrimani; se lo magnetizzassero nell'altro modo, i cristalli sarebbero puramente mancini. "Sono rimasto molto sorpreso, perché ho molta familiarità con gli esperimenti che non funzionano", ha detto Ozturk. Ma questo “ha funzionato a meraviglia”.

Dietro la scrivania, Ozturk tiene la bottiglia vuota di champagne che Sasselov e il team hanno condiviso durante una cena celebrativa.

Moltiplicare e amplificare

Ma avevano ancora un grosso problema: il magnete utilizzato nel loro esperimento era circa 6,500 volte più forte del campo magnetico terrestre.

Così Ozturk è tornato al Weizmann Institute lo scorso novembre, e lui e Naaman hanno poi lavorato su un esperimento successivo in cui non hanno utilizzato affatto un campo magnetico esterno. Invece, hanno scoperto che quando le molecole chirali venivano adsorbite sulle superfici magnetiche, creavano un campo magnetico altamente locale sulla superficie che era fino a 50 volte più forte del campo magnetico terrestre. I loro risultati sono stati accettati da una rivista sottoposta a revisione paritaria ma non ancora pubblicati.

"Stai costringendo il quartiere a essere magnetizzato, il che rende ancora più facile per i cristalli continuare a formarsi", ha detto Joyce. Questo effetto che si autoalimenta rende lo scenario plausibile, ha aggiunto.

Athavale è d'accordo. Il fatto che non sia necessario un campo altamente magnetico perché si verifichi l'effetto CISS è "davvero bello, perché ora hai visto un possibile contesto geologico", ha detto.

Ma la vera chiave per creare l’omochiralità è osservare come l’effetto avrebbe potuto essere amplificato attraverso una rete di molecole interagenti. "L'aspetto più importante di tutto questo non è che siamo riusciti a trovare un altro modo per ottenere un prodotto chirale", ha detto Sasselov, ma che il suo gruppo ha trovato un percorso per creare una rete omochirale.

In un articolo presentato sulla copertina di Il Giornale di Fisica Chimica in agosto, Ozturk, Sasselov e Sutherland hanno proposto un modello su come le informazioni chirali potrebbero propagarsi attraverso una rete prebiotica. Sutherland e il suo gruppo avevano precedentemente dimostrato che analoghi delle molecole di RNA di trasferimento destrimano – che legano gli amminoacidi e li portano al ribosoma per produrre proteine ​​– si collegano agli amminoacidi levogiri 10 volte più velocemente che a quelli destrigiri. La scoperta suggerisce che l’RNA chirale produce preferenzialmente proteine ​​di chiralità opposta, come si vede in natura. Come hanno scritto i ricercatori nel documento: “Pertanto, il problema dell’omochiralità biologica può essere ridotto a garantire che un singolo precursore comune dell’RNA (ad esempio RAO) possa essere reso omochirale”.

Lo studio non ha spiegato direttamente perché i nucleotidi preferiti della vita sono destrogiri e i suoi amminoacidi sono mancini, ha detto Ozturk. Ma queste nuove scoperte suggeriscono che il fattore determinante sia stata la magnetizzazione indotta dal campo terrestre. Athavale ha osservato che anche se il processo di cristallizzazione avvenisse in 100 laghi primordiali, il campo magnetico della Terra garantirebbe che tutti producessero precursori con la stessa manualità piuttosto che una miscela.

Joyce ha osservato che c'è una "piccola svolta interessante" se il campo magnetico ha dato una tale distorsione: se la vita fosse iniziata nell'emisfero settentrionale e avesse favorito le molecole con una mano sola, allora avrebbe mostrato la mano opposta se fosse sorta nell'emisfero meridionale.

La propagazione della chiralità tra famiglie di molecole è ancora altamente ipotetica, ha osservato Athavale, anche se è utile far riflettere la gente. Sasselov è d'accordo. "L'idea di questo articolo è quella di motivare le persone a fare questi esperimenti", ha detto.

Wentao Ma, un ricercatore sulle origini della vita presso l’Università di Wuhan in Cina, ha affermato che i nuovi documenti segnano “progressi interessanti”. Ma avrebbe bisogno di vedere l’effetto CISS che porta alla polimerizzazione dell’RNA per vederla come una risposta completa. "Se riescono a raggiungere questo risultato, penso che non siamo lontani dalla... soluzione", ha detto.

"Mi piace molto l'effetto CISS", ha detto Noémie Globo, un astrofisico che sta lavorando sul problema dell'omochiralità. Sarebbe più convincente, ha detto, che i ricercatori verificassero se i meteoriti che contengono un eccesso di aminoacidi con una particolare manualità (già trovati in precedenza) contengono anche particelle magnetiche in eccesso. Ha anche notato che diversi meccanismi teorizzati avrebbero potuto creare omochiralità in diverse molecole.

Jeffrey Bada, professore emerito presso lo Scripps Institution of Oceanography dell'Università della California, a San Diego, è scettico sull'idea. Non crede che l'RNA possa essere stato sintetizzato in condizioni primordiali come la prima molecola autoreplicante. "Nessuno ha prodotto l'RNA in un contesto prebiotico", ha detto, perché ci sono troppi problemi con la stabilità della molecola.

Il team di Sutherland sta ancora lavorando per dimostrare che gli altri due tipi di nucleotidi possono essere prodotti dalla molecola precursore dell'RNA. "Penso che siamo abbastanza dannatamente vicini", ha detto Sutherland. "Ma il mio gruppo vi dirà che lo dico da 22 anni."

Sia che l’effetto CISS rappresenti la soluzione, parte della soluzione o nessuna soluzione, ci sono ovvi passi successivi per testarlo. "Ha tutti gli aspetti di una bella ipotesi in cui ti viene in mente qualcosa di creativo, qualcosa che sia fattibile e poi qualcosa che alla fine può essere testato", ha detto Athavale. Il prossimo passo più convincente, secondo lui, sarebbe quello di mostrare prove geologiche che il processo potrebbe essere avvenuto al di fuori del laboratorio.

Durante una chiamata Zoom, Ozturk ha mostrato una roccia nera e piatta che aveva raccolto durante un viaggio in Australia, un luogo pieno di rocce ferrose magnetiche su cui spera di replicare i suoi esperimenti. Vuole anche rendere più dinamici i test futuri dell'idea: i laghi primordiali dove pensa si formarono le prime molecole avrebbero avuto corsi d'acqua e flussi di materiale, così come cicli naturali "umido-secco" guidati da piogge e alte temperature, che consentirebbe ai cristalli di formarsi e dissolversi, formarsi e dissolversi.

Nota del redattore: Sasselov e il suo gruppo, così come Joyce e Sutherland, hanno ricevuto finanziamenti dall' Fondazione Simons, che finanzia anche questo rivista editoriale indipendente. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non hanno alcuna influenza sulla nostra copertura.