ייתכן שהמגנטיות העניקה לחיים את האסימטריה המולקולרית שלהם | מגזין קוונטה

בשנת 1848, כאשר לואי פסטר היה כימאי צעיר שעדיין רחוק שנים מלגלות כיצד לעקר חלב, הוא גילה משהו מוזר לגבי גבישים שנוצרו בטעות כאשר כימאי תעשייתי הרתיח יין זמן רב מדי. מחצית מהגבישים היו חומצה טרטרית לזיהוי, מלח שימושי תעשייתי שצמח באופן טבעי על קירות חביות יין. שאר הגבישים היו בדיוק באותה צורה וסימטריה, אבל פנים אחד היה מכוון בכיוון ההפוך.

ההבדל היה כה בולט שפסטר יכול היה להפריד את הגבישים מתחת לעדשה מגדילה עם פינצטה. "הם ביחס זה לזה מהי תמונה, במראה, ביחס לדבר האמיתי", כתב במאמר באותה שנה.

אף על פי שפסטר לא ידע זאת, בשפכים המתגבשים של היין ההוא, הוא נתקל באחת התעלומות העמוקות ביותר על מקורות החיים על פני כדור הארץ.

מה שהוא ראה היה תערובת של מולקולות חומצה טרטרית שהיו להן הרכבים אטומיים זהים וסידורי תמונת מראה של אותם אטומים בחלל. היה להם את התכונה שנקראה מאוחר יותר "כיראליות" על שם המילה היוונית ל"יד": בדיוק כפי שידינו השמאלית והימנית הן הפכים סימטריים זו של זו, הגרסאות השמאליות והימניות (או האננטיומרים) של מולקולות החומצה הטרטרית הן נבדל ולא שווה ערך.

המשמעות של התצפית של פסטר חרגה מגילוי הכיראליות - הייתה גם הסיבה המדהימה שהוא ראה אותה. הגבישים הסינתטיים היו תערובת של אננטיומרים של חומצת טרטרית מכיוון שתהליך הרתיחה איפשר להיווצרות גרסאות שמאליות וימניות במספרים שווים. אבל בגבישים הטבעיים מחביות יין, כל מולקולות החומצה הטרטרית היו ימניות - מכיוון שהענבים ששימשו ליין, שנקטפו מגפנים חיות, יצרו רק את האננטיומר הזה.

כיראליות היא חתימה של חיים כפי שאנו מכירים אותם. שוב ושוב, ביוכימאים מצאו שכאשר תאים חיים משתמשים במולקולות כיראליות, הם משתמשים בכיראליות אחת באופן בלעדי. הסוכרים המרכיבים את ה-DNA, למשל, כולם ימניים. חומצות האמינו המרכיבות את החלבונים הן כולן שמאליות. אם האננטיומרים הלא נכונים מחליקים לתרופות, ההשפעות יכולות לפעמים להיות רעילות או אפילו קטלניות.

אירוע או סדרה של אירועים בתחילת ההיסטוריה של החיים ודאי "שברו את המראה", כפי שניסחו זאת ביוכימאים, והשליכו חיים לאסימטריה מולקולרית. מדענים התלבטו מדוע החיים הפכו להומוצ'ירים, והאם זה היה צריך לקרות או אם זה היה מזיד טהור. האם העדפות כיראליות הושפעו מהחיים המוקדמים על ידי דגימות מוטות של מולקולות שהגיעו מהחלל, או שהן איכשהו התפתחו מתערובות שהתחילו כחלקים שווים של ימין ושמאל?

"המדענים עברו תמיהה על ידי התצפית הזו," אמר סומיטרה את'וואלה, עוזר פרופסור לכימיה אורגנית באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס. "הם העלו כל מיני הצעות במהלך השנים, אבל קשה להעלות הצעות שהן בעצם רלוונטיות מבחינה גיאולוגית". יתרה מכך, בעוד שתיאוריות רבות יכלו להסביר מדוע סוג אחד של מולקולה עשוי להיות הומכירלי, אף אחת מהן לא הסבירה מדוע רשתות שלמות של ביו-מולקולות הפכו לכך.

לאחרונה, קבוצה באוניברסיטת הרווארד פרסמה סדרה של מאמרים המציגים פתרון מסקרן לאופן שבו נוצרה ההומוצ'יראליות של החיים. הם מציעים שמשטחים מגנטיים על מינרלים בגופי מים על כדור הארץ הקדמוני, הנטענים על ידי השדה המגנטי של כוכב הלכת, יכלו לשמש כ"סוכנים כיראליים" שמשכו צורות מסוימות של מולקולות יותר מאחרות, מה שמניע תהליך שהגביר את הכיראליות של מולקולות ביולוגיות, ממבשרי RNA כל הדרך לחלבונים ומעבר לכך. המנגנון המוצע שלהם יסביר כיצד הטיה בהרכבן של מולקולות מסוימות יכולה הייתה להתגלגל החוצה כדי ליצור רשת עצומה של כימיה כיראלית התומכת בחיים.

זו לא ההשערה הסבירה היחידה, אבל "זה אחת המגניבות ביותר מכיוון שהיא קושרת את הגיאופיזיקה לגיאוכימיה, לכימיה פרה-ביוטית, [ובסופו של דבר] לביוכימיה", אמר. ג'רלד ג'ויס, ביוכימאי ונשיא מכון סאלק שלא היה מעורב במחקר. הוא גם מתרשם שההשערה מגובה ב"ניסויים בפועל" וש"הם עושים זאת בתנאים מציאותיים".

אפקט CISS

שורשיה של התיאוריה החדשה על הומוכירליות מגיעים לאחור כמעט רבע מאה עד מתי רון נעמן, פרופסור לפיזיקה כימית במכון ויצמן למדע בישראל, וצוותו גילו השפעה קריטית של מולקולות כיראליות. עבודתם התמקדה בעובדה שלאלקטרונים יש שתי תכונות מפתח: הם נושאים מטען שלילי, ויש להם "ספין", תכונה קוונטית המקבילה לסיבוב מהותי או נגד כיוון השעון. כאשר מולקולות מקיימות אינטראקציה עם מולקולות או משטחים אחרים, האלקטרונים שלהן יכולים לפזר את עצמם מחדש, ולקטב את המולקולות על ידי יצירת מטען שלילי ביעד ומטען חיובי בנקודת ההתחלה שלהן.

נעמן וצוותו גילו שמולקולות כיראליות מסננות אלקטרונים לפי כיוון הספין שלהן. אלקטרונים עם כיוון ספין אחד ינועו ביעילות רבה יותר על פני מולקולה כיראלית בכיוון אחד מאשר בכיוון השני. אלקטרונים עם הספין ההפוך נעים בצורה חופשית יותר לכיוון השני.

כדי להבין למה, דמיינו לזרוק פריסבי שמביט מקיר המסדרון. אם הפריזבי פוגע בקיר הימני, הוא יקפוץ קדימה רק אם הוא מסתובב בכיוון השעון; אחרת, הוא יקפוץ אחורה. ההפך יקרה אם תפגע בפריזבי מהקיר השמאלי. באופן דומה, מולקולות כיראליות "מפזרות את האלקטרונים לפי כיוון הסיבוב שלהן", אמר נעמן. הוא וצוותו כינו את התופעה הזו בשם אפקט סלקטיביות ספין הנגרמת כיראלית (CISS).

בגלל הפיזור הזה, אלקטרונים עם ספין נתון בסופו של דבר מתקבצים בקוטב אחד של מולקולה כיראלית (והגרסאות הימניות והשמאליות של המולקולה אוספות ספינים מנוגדים בקוטבים שלהם). אבל חלוקה מחדש של ספינים משפיעה על האופן שבו המולקולות הכיראליות מתקשרות עם משטחים מגנטיים מכיוון שהאלקטרונים המסתובבים בכיוונים מנוגדים מושכים זה את זה, ואלו המסתובבים באותו כיוון דוחים זה את זה.

כתוצאה מכך, כאשר מולקולה כיראלית מתקרבת למשטח מגנטי, היא תתקרב אם למולקולה ולמשטח יש הטיות ספין הפוכות. אם הספינים שלהם יתאימו, הם ידחו אחד את השני. (מכיוון שמתרחשות גם אינטראקציות כימיות אחרות, המולקולה לא יכולה פשוט להתהפך כדי ליישר את עצמה מחדש.) אז משטח מגנטי יכול לפעול כסוכן כיראלי, ובעדיפות לקיים אינטראקציה עם אננטיומר אחד בלבד של תרכובת.

בשנת 2011, בשיתוף צוות מאוניברסיטת מינסטר בגרמניה, נעמן וצוותו מדד את הספין של אלקטרונים כשהם עברו דרך דנ"א דו-גדילי, מה שמאשר שאפקט CISS הוא אמיתי וחזק כאחד.

אז המחקר על ההשפעה והיישומים האפשריים שלה "התחיל לפרוח", אמר נעמן. הוא והצוות שלו, למשל, פיתחו כמה דרכים להשתמש באפקט CISS כדי להסיר זיהומים מביו-רפואה, או להוציא את האננטיומרים הלא נכונים מהתרופות כדי למנוע תופעות לוואי גדולות. הם גם חקרו כיצד אפקט CISS עשוי לעזור להסביר את מנגנוני הרדמה.

אבל הם התחילו לעבוד ברצינות על הרעיון שאפקט CISS משחק חלק בעליית ההומוקירליות הביולוגית לאחר שהוזמנו לשתף פעולה בהשערה על ידי צוות בהרווארד בראשות האסטרונום דימיטר סאסלוב והתלמיד שלו לתואר שני S. Furkan Ozturk.

פרספקטיבה של פיזיקה

אוזטורק, הכותב הראשי הצעיר במאמרים האחרונים, נתקל בבעיית ההומוכירליות בשנת 2020 כשהיה סטודנט לתואר שני בפיזיקה בהרווארד. לא מרוצה מהמחקר שלו על הדמיות קוונטיות באמצעות אטומים קרים במיוחד, הוא דפדף במגזין מדעי המפרט 125 מהתעלומות הגדולות בעולם ולמד על הומוכירליות.

"זה נראה ממש כמו שאלה בפיזיקה כי היא עוסקת בסימטריות", אמר. לאחר שפנה אל סאסלוב, שהוא מנהל יוזמת מקורות החיים של הרווארד ומי שכבר התעניין בשאלת ההומוקירליות, אוזטורק עבר להיות סטודנט במעבדה שלו.

אוזטורק וסאסלוב הגיעו עד מהרה לרעיון המבוסס על אפקט CISS. הם דמיינו תפאורה קדמונית כמו אגם רדוד שבו היו משטחים מלאים במינרלים מגנטיים והמים הכילו תערובת של מבשרים כיראליים לנוקלאוטידים. הם שיערו שאור אולטרה סגול יכול היה לפלוט אלקטרונים רבים מהמשטחים המגנטיים, ולרבים מאותם אלקטרונים היה אותו ספין. ייתכן שהאלקטרונים שנפלטו היו מקיימים אינטראקציה מועדפת עם אננטיומרים ספציפיים, והתגובות הכימיות שהתקבלו היו עשויות אז להרכיב מבשרי RNA ימניים.

באפריל 2022 נסע אוזטורק למעבדתו של נעמן בישראל, נפעם מהסיכוי לבחון את ההשערה שלהם. ההתרגשות שלו הייתה קצרת מועד. במהלך החודש הבא כשעבד עם נעמן, הרעיון התפרק. זה "לא עבד", אמר אוזטורק, ולכן חזר הביתה, מדוכדך.

אבל אז לאוזטורק היה רעיון אחר. מה אם אפקט CISS לא בא לידי ביטוי כתהליך כימי אלא כתהליך פיזיקלי?

הקבוצה של נעמן הראתה שהם יכולים להשתמש במשטחים מגנטיים כדי לגבש אננטיומרים בצורה מועדפת. והתגבשות תהיה הדרך הקלה ביותר להרכיב אוספים מטוהרים של אננטיומרים. אוזטורק הזכיר זאת ג'ון סאתרלנד, משתף הפעולה שלהם במעבדת MRC לביולוגיה מולקולרית בבריטניה "ואמרתי, עזוב כל מה שקשור לאלקטרונים ופשוט תתמקד בהתגבשות", אמר סאתרלנד.

סאתרלנד התרגש מההיבט ההתגבשות מכיוון שהוא וצוותו כבר גילו באופן עצמאי שמבשר RNA בשם ריבו-אמינווקסזולין (RAO) יכול לסנתז שניים מארבעת אבני הבניין של RNA. RAO גם "מתגבש יפה", אמר סאתרלנד. ברגע שנוצר זרע גביש מהאננטיומר שנמשך אל פני השטח, הגביש גדל באופן מועדף על ידי שילוב יותר מאותו אננטיומר.

אוזטורק זוכר שסאתרלנד אמר לו ש"המשחק נגמר" אם רעיון אפקט CISS יעבוד. "כי זה היה כל כך פשוט," אמר אוזטורק. "זה עשה את זה על מולקולה שהייתה כל כך מרכזית במקור הכימיה של החיים, שאם אתה מצליח להפוך את המולקולה הזו להומכירלית, אתה יכול להפוך את המערכת כולה להומכירלית."

אוזטורק התחיל לעבוד במעבדת הרווארד. הוא הניח משטחי מגנטיט על צלחת פטרי ומילא אותה בתמיסה המכילה כמויות שוות של מולקולות RAO שמאליות וימניות. לאחר מכן הוא הניח את המנה על מגנט, הכניס את הניסוי למקרר וחיכה להופעת הגבישים הראשונים. בהתחלה, הצוות מצא ש-60% מהגבישים היו ביד אחת. כשהם חזרו על התהליך, הגבישים שלהם היו 100% מאותה כיראליות.

כפי שדיווחו במחקר שפורסם ביוני ב התקדמות מדע, אם הם ממגנטו את פני השטח בצורה אחת, הם יצרו גבישים שהיו ימניים בלבד; אם הם ממגנטים אותו לכיוון השני, הגבישים היו שמאליים בלבד. "הופתעתי מאוד, כי אני מאוד מכיר ניסויים שלא עובדים", אמר אוזטורק. אבל זה "עבד כמו קסם".

מאחורי שולחנו, אוזטורק שומר את בקבוק השמפניה הריק שחלקו סאסלוב והצוות בארוחת ערב חגיגית.

הכפל והגבר

אבל עדיין הייתה להם בעיה גדולה: המגנט שבו השתמשו בניסוי שלהם היה חזק פי 6,500 בערך מהשדה המגנטי של כדור הארץ.

אז אוזטורק חזר למכון ויצמן בנובמבר האחרון, ואז הוא ונעמן עבדו על ניסוי המשך שבו לא השתמשו כלל בשדה מגנטי חיצוני. במקום זאת, הם גילו שכאשר המולקולות הכיראליות נספגו על פני המשטחים המגנטיים, הם יצרו שדה מגנטי מקומי מאוד מעל פני השטח שהיה חזק עד פי 50 מהשדה המגנטי של כדור הארץ. הממצאים שלהם התקבלו על ידי כתב עת שנבדק על ידי עמיתים אך טרם פורסמו.

"אתם מאלצים את השכונה להתמגנט, מה שמקל על הגבישים להמשיך להיווצר," אמרה ג'ויס. האפקט המנציח את עצמו הופך את התרחיש לסביר, הוא הוסיף.

Athavale מסכים. העובדה שאתה לא צריך שדה מגנטי מאוד כדי שאפקט CISS יתרחש היא "ממש נחמדה, כי עכשיו ראית סביבה גיאולוגית אפשרית", אמר.

אבל המפתח האמיתי ליצירת הומוכירליות הוא להסתכל כיצד ניתן היה להגביר את האפקט על פני רשת של מולקולות המקיימות אינטראקציה. "ההיבט החשוב ביותר של כל זה הוא לא שהצלחנו למצוא עוד דרך להשיג מוצר כירלי", אמר סאסלוב, אלא שהקבוצה שלו מצאה דרך ליצירת רשת הומוכירלית.

בעיתון המופיע על הכריכה של כתב העת לפיזיקה כימית באוגוסט הציעו אוזטורק, סאסלוב וסאתרלנד מודל לאופן שבו מידע כירלי עשוי להתפשט ברשת פרה-ביוטית. סאתרלנד וקבוצתו הראו בעבר כי אנלוגים של מולקולות RNA ביד ימין מעבירות - הקושרות חומצות אמינו ומביאות אותן לריבוזום לייצור חלבונים - מקושרות לחומצות אמינו שמאליות פי 10 מהר יותר מאשר לחומצות ימניות. הממצא מצביע על כך ש-RNA כיראלי מייצר חלבונים בכיראליות הפוכה, כפי שרואים בטבע. כפי שכתבו החוקרים במאמר: "לכן, בעיית ההומוכירליות הביולוגית עשויה להצטמצם כדי להבטיח שניתן להפוך מבשר RNA נפוץ יחיד (למשל, RAO) להומוכירלי."

המחקר לא הסביר ישירות מדוע הנוקלאוטידים המועדפים על החיים הם ימניים וחומצות האמינו שלו הן שמאליות, אמר אוזטורק. אבל ממצאים חדשים אלה מצביעים על כך שהגורם הקובע היה המגנטיזציה שהושרה על ידי שדה כדור הארץ. Athavale ציין שגם אם תהליך ההתגבשות יתרחש ב-100 אגמים קדמוניים, השדה המגנטי של כדור הארץ יבטיח שכולם ייצרו מבשרים באותה מידה ולא בתערובת.

ג'ויס ציין שיש "טוויסט קטן ומגניב" אם השדה המגנטי נותן הטיה כזו: אם החיים התחילו בחצי הכדור הצפוני והעדיפו מולקולות ביד אחת, אז זה היה מראה את היד ההפוכה אם הם היו מתעוררים בחצי הכדור הדרומי.

ההתפשטות של כיראליות בין משפחות של מולקולות היא עדיין היפותטית ביותר, ציין Athavale, אם כי טוב לגרום לאנשים לחשוב. סאסלוב מסכים. "הרעיון של המאמר הזה הוא להניע אנשים ללכת ולעשות את הניסויים האלה", אמר.

וונטאו מא, חוקר מקורות החיים באוניברסיטת ווהאן בסין, אמר שהמאמרים החדשים מסמנים "התקדמות מעניינת". אבל הוא יצטרך לראות את אפקט CISS מוביל לפימור של RNA כדי לראות בו תשובה מלאה. "אם הם יכולים להשיג את התוצאה הזו, אני חושב שאנחנו לא רחוקים מהפתרון...", אמר.

"אני מאוד אוהב את אפקט CISS," אמר נומי גלובוס, אסטרופיזיקאי שעובד על בעיית ההומוכירליות. מה שיותר משכנע, היא אמרה, יהיה שהחוקרים יבדקו האם מטאוריטים המכילים עודף של חומצות אמינו בעלות יד מסוימת (שנמצאו בעבר) מכילים גם עודף חלקיקים מגנטיים. היא גם ציינה שמנגנונים שונים בתיאוריה יכלו כולם ליצור הומוכירליות במולקולות שונות.

ג'פרי באדה, פרופסור אמריטוס במכון סקריפס לאוקיאנוגרפיה באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, סקפטי לגבי הרעיון. הוא לא מאמין שניתן היה לסנתז RNA בתנאים ראשוניים כמולקולה המשכפלת את עצמה הראשונה. "אף אחד לא יצר RNA בהקשר פרה-ביוטי", הוא אמר, כי יש יותר מדי בעיות עם היציבות של המולקולה.

הצוות של סאתרלנד עדיין עובד כדי להראות שניתן לייצר את שני סוגי הנוקלאוטידים האחרים ממולקולת מבשר ה-RNA. "אני חושב שאנחנו די קרובים," אמר סאתרלנד. "אבל הקבוצה שלי תגיד לך שאני אומר את זה כבר 22 שנה."

בין אם אפקט CISS מייצג את הפתרון, חלק מהפתרון או ללא פתרון כלל, ישנם שלבים ברורים הבאים לבדיקתו. "יש לו את כל ההיבטים של השערה נחמדה שבה אתה מעלה משהו יצירתי, משהו בר ביצוע, ואז משהו שניתן בסופו של דבר לבחון," אמר Athavale. השלב הבא המשכנע ביותר, הוא חושב, יהיה להציג ראיות גיאולוגיות שהתהליך יכול היה להתרחש מחוץ למעבדה.

במהלך שיחת זום, אוזטורק הרים סלע שחור שטוח שהוא הרים בטיול לאוסטרליה, מקום מלא בסלעי ברזל מגנטיים עליו הוא מקווה לשחזר את הניסויים שלו. הוא גם רוצה להפוך את הבדיקות העתידיות של הרעיון לדינמיות יותר: האגמים הקדמוניים שבהם הוא חושב שלמולקולות המוקדמות שנוצרו היו זרמים וזרימות של חומר, כמו גם מחזורי "רטוב-יבש" טבעיים מונעים על ידי גשמים וטמפרטורות גבוהות, ש יאפשר לגבישים להיווצר ולהתמוסס, להיווצר ולהתמוסס.

הערת העורך: סאסלוב וקבוצתו, כמו גם ג'ויס וסאת'רלנד, קיבלו מימון מה- קרן סימונס, שגם מממנת זאת מגזין עצמאי מבחינה עריכה. להחלטות המימון של קרן סימונס אין השפעה על הסיקור שלנו.