Magnetisme heeft het leven mogelijk zijn moleculaire asymmetrie gegeven | Quanta-tijdschrift

In 1848, toen Louis Pasteur een jonge scheikundige was die nog jaren verwijderd was van de ontdekking hoe hij melk moest steriliseren, ontdekte hij iets eigenaardigs aan de kristallen die per ongeluk ontstonden als een industriële scheikundige wijn te lang kookte. De helft van de kristallen was herkenbaar wijnsteenzuur, een industrieel bruikbaar zout dat van nature op de wanden van wijnvaten groeide. De andere kristallen hadden precies dezelfde vorm en symmetrie, maar één zijde was in de tegenovergestelde richting georiënteerd.

Het verschil was zo groot dat Pasteur de kristallen onder een vergrootlens met een pincet kon scheiden. “Ze zijn in relatie tot elkaar wat een beeld is, in een spiegel, in relatie tot het echte werk”, schreef hij dat jaar in een krant.

Hoewel Pasteur het niet wist, was hij in de gekristalliseerde droesem van die wijn op een van de diepste mysteries over de oorsprong van het leven op aarde gestuit.

Wat hij zag was een mengsel van wijnsteenzuurmoleculen met identieke atomaire samenstellingen en spiegelbeeldige arrangementen van die atomen in de ruimte. Ze hadden de eigenschap die later ‘chiraliteit’ werd genoemd, naar het Griekse woord voor ‘hand’: net zoals onze linker- en rechterhand symmetrische tegenpolen van elkaar zijn, zijn de links- en rechtshandige versies (of enantiomeren) van de wijnsteenzuurmoleculen dat ook. verschillend en niet gelijkwaardig.

De betekenis van Pasteurs observatie ging verder dan de ontdekking van chiraliteit; er was ook de opmerkelijke reden dat hij deze zag. De synthetische kristallen waren een mengsel van de wijnsteenzuur-enantiomeren, omdat door het kookproces links- en rechtshandige versies in gelijke aantallen konden ontstaan. Maar in de natuurlijke kristallen uit wijnvaten waren alle wijnsteenzuurmoleculen rechtshandig – omdat de druiven die voor de wijn werden gebruikt, geplukt van levende wijnstokken, alleen dat enantiomeer maakten.

Chiraliteit is een kenmerk van het leven zoals wij dat kennen. Keer op keer hebben biochemici ontdekt dat wanneer levende cellen chirale moleculen gebruiken, ze uitsluitend één chiraliteit gebruiken. De suikers waaruit DNA bestaat, zijn bijvoorbeeld allemaal rechtshandig. De aminozuren waaruit eiwitten bestaan, zijn allemaal linkshandig. Als de verkeerde enantiomeren in geneesmiddelen terechtkomen, kunnen de effecten soms giftig of zelfs dodelijk zijn.

Een gebeurtenis of een reeks gebeurtenissen in het begin van de geschiedenis van het leven moet ‘de spiegel hebben gebroken’, zoals biochemici het uitdrukten, en het leven in moleculaire asymmetrie hebben gebracht. Wetenschappers hebben gedebatteerd waarom het leven homochiraal werd, en of het moest gebeuren of dat het puur een toevalstreffer was. Zijn chirale voorkeuren in het vroege leven onder de indruk gekomen van vertekende monsters van moleculen die uit de ruimte kwamen, of zijn ze op de een of andere manier geëvolueerd uit mengsels die begonnen als gelijke delen rechts- en linkshandig?

“Wetenschappers zijn verbijsterd door deze observatie,” zei Soumitra Athavale, een assistent-professor organische chemie aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. “Ze hebben in de loop der jaren allerlei voorstellen gedaan, maar het is lastig om met voorstellen te komen die daadwerkelijk geologisch relevant zijn.” Hoewel veel theorieën konden verklaren waarom één type molecuul homochiraal zou kunnen zijn geworden, verklaarde geen van hen bovendien waarom hele netwerken van biomoleculen dat deden.

Onlangs publiceerde een groep aan de Harvard Universiteit een reeks artikelen die een intrigerende oplossing presenteren voor de manier waarop de homochiraliteit van het leven ontstond. Ze suggereren dat magnetische oppervlakken op mineralen in waterlichamen op de oeraarde, geladen door het magnetische veld van de planeet, hadden kunnen dienen als “chirale agenten” die sommige vormen van moleculen meer aantrokken dan andere, waardoor een proces op gang kwam dat de chiraliteit van de aarde versterkte. biologische moleculen, van RNA-voorlopers tot aan eiwitten en nog veel meer. Hun voorgestelde mechanisme zou verklaren hoe een vertekening in de samenstelling van bepaalde moleculen naar buiten had kunnen stromen en een enorm netwerk van chirale chemie had kunnen creëren dat het leven ondersteunde.

Het is niet de enige plausibele hypothese, maar “het is een van de coolste omdat het geofysica verbindt met geochemie, met prebiotische chemie, [en] uiteindelijk met biochemie,” zei Gerard Joyce, een biochemicus en voorzitter van het Salk Instituut die niet bij het onderzoek betrokken was. Hij is ook onder de indruk dat de hypothese wordt ondersteund door ‘echte experimenten’ en dat ‘ze dit onder realistische omstandigheden doen’.

Het CISS-effect

De wortels van de nieuwe theorie over homochiraliteit gaan bijna een kwart eeuw terug Ron Naämanontdekten een professor in de chemische fysica aan het Weizmann Institute of Science in Israël, en zijn team een ​​kritisch effect van chirale moleculen. Hun werk concentreerde zich op het feit dat elektronen twee belangrijke eigenschappen hebben: ze hebben een negatieve lading en ze hebben ‘spin’, een kwantumeigenschap die analoog is aan intrinsieke rotatie met de klok mee of tegen de klok in. Wanneer moleculen interageren met andere moleculen of oppervlakken, kunnen hun elektronen zichzelf herverdelen, waardoor de moleculen worden gepolariseerd door een negatieve lading te creëren op hun bestemming en een positieve lading op hun startpunt.

Naäman en zijn team ontdekten dat chirale moleculen elektronen filteren op basis van de richting van hun spin. Elektronen met één spinoriëntatie zullen efficiënter in de ene richting over een chiraal molecuul bewegen dan in de andere. Elektronen met de tegenovergestelde spin bewegen vrijer de andere kant op.

Om te begrijpen waarom, stel je voor dat je een frisbee gooit die van de muur van een gang afkijkt. Als de frisbee de rechtermuur raakt, stuitert hij alleen naar voren als hij met de klok mee draait; anders zal het achteruit stuiteren. Het tegenovergestelde zal gebeuren als je de frisbee van de linkermuur slaat. Op dezelfde manier ‘verstrooien chirale moleculen de elektronen afhankelijk van hun rotatierichting’, zei Naäman. Hij en zijn team noemden dit fenomeen het chiraal geïnduceerde spinselectiviteitseffect (CISS).

Vanwege die verstrooiing aggregeren elektronen met een bepaalde spin uiteindelijk aan één pool van een chiraal molecuul (en de rechtshandige en linkshandige versies van het molecuul verzamelen tegenovergestelde spins aan hun respectievelijke polen). Maar die herverdeling van spins beïnvloedt de manier waarop de chirale moleculen interageren met magnetische oppervlakken, omdat elektronen die in tegengestelde richtingen draaien elkaar aantrekken, en elektronen die in dezelfde richting draaien elkaar afstoten.

Wanneer een chiraal molecuul een magnetisch oppervlak nadert, zal het dus dichter naar elkaar toe worden getrokken als het molecuul en het oppervlak tegengestelde spin-voorspanningen hebben. Als hun spins overeenkomen, zullen ze elkaar afstoten. (Omdat er ook andere chemische interacties plaatsvinden, kan het molecuul niet zomaar omdraaien om zichzelf opnieuw uit te lijnen.) Een magnetisch oppervlak kan dus als een chiraal middel werken en bij voorkeur een interactie aangaan met slechts één enantiomeer van een verbinding.

In 2011, in samenwerking met een team van de Universiteit van Münster in Duitsland, Naäman en zijn team heb de spin gemeten van elektronen terwijl ze door dubbelstrengig DNA bewogen, wat bevestigt dat het CISS-effect zowel reëel als sterk is.

Toen begon het onderzoek naar het effect en de mogelijke toepassingen ervan “een grote vlucht te nemen”, zei Naäman. Hij en zijn team ontwikkelden bijvoorbeeld verschillende manieren om het CISS-effect te gebruiken om onzuiverheden uit biomedicijnen te verwijderen, of om de verkeerde enantiomeren uit medicijnen uit te sluiten om grote bijwerkingen te voorkomen. Ze hebben ook onderzocht hoe het CISS-effect dit effect zou kunnen helpen verklaren mechanismen van anesthesie.

Maar ze begonnen pas serieus te werken aan het idee dat het CISS-effect een rol speelt in de opkomst van biologische homochiraliteit nadat ze waren uitgenodigd om samen te werken aan een hypothese door een team van Harvard onder leiding van de astronoom Dimitar Sasselov en zijn afstudeerder S. Furkan Özturk.

Een natuurkundig perspectief

Ozturk, de jonge hoofdauteur van de recente artikelen, kwam in 2020 met het homochiraliteitsprobleem in aanraking toen hij een natuurkundestudent was aan Harvard. Ontevreden over zijn onderzoek naar kwantumsimulaties met behulp van ultrakoude atomen bladerde hij door een wetenschappelijk tijdschrift waarin 125 van de grootste mysteries ter wereld werden beschreven en leerde hij over homochiraliteit.

"Het leek echt op een natuurkundige vraag, omdat het over symmetrieën gaat", zei hij. Nadat hij contact had opgenomen met Sasselov, directeur van Harvard's Origins of Life Initiative en die al geïnteresseerd was in de kwestie van homochiraliteit, stapte Ozturk over om student te worden in zijn laboratorium.

Ozturk en Sasselov kwamen al snel op een idee gebaseerd op het CISS-effect. Ze stelden zich een oorspronkelijke omgeving voor, zoals een ondiep meer met oppervlakken vol magnetische mineralen en het water een mengsel van chirale voorlopers van nucleotiden bevatte. Ze theoretiseerden dat ultraviolet licht veel elektronen uit de magnetische oppervlakken had kunnen stoten, en dat veel van die elektronen dezelfde spin zouden hebben gehad. De uitgestoten elektronen zouden dan bij voorkeur een interactie kunnen hebben aangegaan met specifieke enantiomeren, en de resulterende chemische reacties zouden dan bij voorkeur rechtshandige RNA-voorlopers kunnen hebben samengesteld.

In april 2022 reisde Ozturk naar het laboratorium van Naäman in Israël, opgewonden door het vooruitzicht hun hypothese te testen. Zijn opwinding was van korte duur. Terwijl hij de volgende maand met Naäman werkte, viel het idee uiteen. Het “werkte niet”, zei Ozturk, en dus keerde hij neerslachtig terug naar huis.

Maar toen had Ozturk een ander idee. Wat als het CISS-effect zich niet manifesteerde als een chemisch proces, maar als een fysiek proces?

De groep van Naäman had aangetoond dat ze magnetische oppervlakken konden gebruiken om bij voorkeur enantiomeren te kristalliseren. En kristallisatie zou de gemakkelijkste manier zijn om gezuiverde verzamelingen enantiomeren samen te stellen. Ozturk zei dat tegen John Sutherland, hun medewerker bij het MRC Laboratory of Molecular Biology in Groot-Brittannië “En ik zei: laat alles wat met elektronen te maken heeft vallen en concentreer je gewoon op de kristallisatie”, zei Sutherland.

Sutherland was enthousiast over het kristallisatieaspect omdat hij en zijn team al onafhankelijk hadden ontdekt dat een RNA-voorloper genaamd ribo-aminooxazoline (RAO) twee van de vier bouwstenen van RNA kan synthetiseren. RAO kristalliseert ook prachtig, zei Sutherland. Zodra zich een kristalzaadje vormt uit het enantiomeer dat naar het oppervlak wordt aangetrokken, groeit het kristal bij voorkeur door meer van hetzelfde enantiomeer op te nemen.

Ozturk herinnert zich dat Sutherland hem vertelde dat het ‘game over’ zou zijn als het idee van het CISS-effect zou werken. “Omdat het zo eenvoudig was”, zei Ozturk. “Het deed het op een molecuul dat zo centraal stond in de oorsprong van de chemie van het leven dat als je erin slaagt dat molecuul homochiraal te maken, je het hele systeem homochiraal kunt maken.”

Ozturk ging aan de slag in het Harvard-lab. Hij plaatste magnetietoppervlakken op een petrischaaltje en vulde deze met een oplossing die gelijke hoeveelheden linkshandige en rechtshandige RAO-moleculen bevatte. Vervolgens plaatste hij de schaal op een magneet, zette het experiment in de koelkast en wachtte tot de eerste kristallen verschenen. In eerste instantie ontdekte het team dat 60% van de kristallen met één hand werd gemaakt. Toen ze het proces herhaalden, hadden hun kristallen 100% dezelfde chiraliteit.

Dat melden ze in een onderzoek dat in juni werd gepubliceerd Wetenschap AdvancesAls ze het oppervlak op één manier magnetiseerden, creëerden ze kristallen die puur rechtshandig waren; als ze het de andere kant op zouden magnetiseren, waren de kristallen puur linkshandig. "Ik was zeer verrast, omdat ik zeer bekend ben met experimenten die niet werken", zei Ozturk. Maar deze “werkte als een tierelier.”

Achter zijn bureau bewaart Ozturk de lege fles champagne die Sasselov en het team deelden tijdens een feestelijk diner.

Vermenigvuldig en vergroot

Maar ze hadden nog steeds een groot probleem: de magneet die ze in hun experiment gebruikten was ongeveer 6,500 keer sterker dan het magnetische veld van de aarde.

Dus Ozturk keerde afgelopen november terug naar het Weizmann Instituut, en hij en Naäman werkten vervolgens aan een vervolgexperiment waarbij ze helemaal geen extern magnetisch veld gebruikten. In plaats daarvan ontdekten ze dat wanneer de chirale moleculen op de magnetische oppervlakken werden geadsorbeerd, ze een zeer lokaal magnetisch veld over het oppervlak creëerden dat tot 50 keer zo sterk was als het magnetische veld van de aarde. Hun bevindingen zijn geaccepteerd door een peer-reviewed tijdschrift, maar nog niet gepubliceerd.

"Je dwingt de buurt om gemagnetiseerd te worden, waardoor het voor de kristallen nog gemakkelijker wordt om zich te blijven vormen," zei Joyce. Dat zichzelf in stand houdende effect maakt het scenario plausibel, voegde hij eraan toe.

Athavale is het daarmee eens. Het feit dat je geen sterk magnetisch veld nodig hebt om het CISS-effect te laten optreden is “heel mooi, want nu heb je een mogelijke geologische omgeving gezien”, zei hij.

Maar de echte sleutel tot het creëren van homochiraliteit is kijken naar hoe het effect had kunnen worden versterkt over een netwerk van op elkaar inwerkende moleculen. “Het belangrijkste aspect van dit alles is niet dat we erin zijn geslaagd om nog een andere manier te vinden om een ​​chiraal product te verkrijgen,” zei Sasselov, maar dat zijn groep een route had gevonden om een ​​homochiraal netwerk te creëren.

In een artikel op de omslag van Het tijdschrift voor chemische fysica in augustus stelden Ozturk, Sasselov en Sutherland een model voor voor hoe chirale informatie zich door een prebiotisch netwerk zou kunnen verspreiden. Sutherland en zijn groep hadden eerder aangetoond dat analogen van rechtshandige transfer-RNA-moleculen – die aminozuren binden en naar het ribosoom brengen om eiwitten te maken – tien keer sneller verbinding maken met linkshandige aminozuren dan met rechtshandige. De bevinding suggereert dat chiraal RNA bij voorkeur eiwitten maakt met de tegenovergestelde chiraliteit, zoals te zien is in de natuur. Zoals de onderzoekers in het artikel schreven: “Daarom kan het biologische homochiraliteitsprobleem worden teruggebracht tot het garanderen dat een enkele gemeenschappelijke RNA-voorloper (bijvoorbeeld RAO) homochiraal kan worden gemaakt.”

De studie verklaarde niet direct waarom de voorkeursnucleotiden van het leven rechtshandig zijn en de aminozuren linkshandig, zei Ozturk. Maar deze nieuwe bevindingen suggereren dat de bepalende factor de magnetisatie was die werd veroorzaakt door het aardveld. Athavale merkte op dat zelfs als het kristallisatieproces in 100 oorspronkelijke meren zou plaatsvinden, het magnetische veld van de aarde ervoor zou zorgen dat ze allemaal met dezelfde handigheid voorlopers zouden produceren in plaats van een mengsel.

Joyce merkte op dat er sprake is van een “coole kleine wending” als het magnetische veld zo’n bias zou geven: als het leven op het noordelijk halfrond begon en moleculen met één handigheid bevoordeelde, dan zou het de tegenovergestelde handigheid hebben laten zien als het op het zuidelijk halfrond was ontstaan.

De verspreiding van chiraliteit tussen families van moleculen is nog steeds zeer hypothetisch, merkte Athavale op, hoewel het goed is om mensen aan het denken te zetten. Sasselov is het daarmee eens. “Het idee van dit artikel is om mensen te motiveren om deze experimenten te gaan doen,” zei hij.

Wentao Ma, een onderzoeker naar de oorsprong van het leven aan de Wuhan Universiteit in China, zei dat de nieuwe artikelen ‘interessante vooruitgang’ markeren. Maar hij zou het CISS-effect moeten zien leiden tot de polymerisatie van RNA om het als een volledig antwoord te kunnen zien. “Als ze dit resultaat kunnen bereiken, denk ik dat we niet ver verwijderd zijn van de … oplossing,” zei hij.

"Ik hou echt van het CISS-effect", zei hij Noémie Globus, een astrofysicus die werkt aan het homochiraliteitsprobleem. Wat overtuigender zou zijn, zei ze, zou zijn als de onderzoekers zouden controleren of meteorieten die een overmaat aan aminozuren met een bepaalde handigheid bevatten (die eerder zijn gevonden) ook een overmaat aan magnetische deeltjes bevatten. Ze merkte ook op dat verschillende theoretische mechanismen allemaal homochiraliteit in verschillende moleculen hadden kunnen creëren.

Jeffrey Bada, een emeritus hoogleraar aan de Scripps Institution of Oceanography van de Universiteit van Californië, San Diego, staat sceptisch tegenover het idee. Hij gelooft niet dat RNA onder primordiale omstandigheden als het eerste zelfreplicerende molecuul had kunnen worden gesynthetiseerd. "Niemand heeft RNA gemaakt in een prebiotische context", zei hij, omdat er te veel problemen zijn met de stabiliteit van het molecuul.

Het team van Sutherland is nog steeds bezig om aan te tonen dat de andere twee soorten nucleotiden gemaakt kunnen worden uit het RNA-voorlopermolecuul. 'Ik denk dat we er verdomd dichtbij zijn,' zei Sutherland. “Maar mijn fractie zal jullie vertellen dat ik dat al 22 jaar zeg.”

Of het CISS-effect nu de oplossing, een deel van de oplossing of helemaal geen oplossing vertegenwoordigt, er zijn duidelijke volgende stappen om het te testen. "Het heeft alle aspecten van een mooie hypothese waarbij je iets creatiefs bedenkt, iets dat haalbaar is, en dan iets dat uiteindelijk kan worden getest," zei Athavale. De meest overtuigende volgende stap zou volgens hem het tonen van geologisch bewijs zijn dat het proces buiten het laboratorium had kunnen plaatsvinden.

Tijdens een Zoom-oproep hield Ozturk een platte zwarte steen omhoog die hij had opgepikt tijdens een reis naar Australië, een plek vol magnetische ijzeren rotsen waarop hij hoopt zijn experimenten te repliceren. Hij wil toekomstige tests van het idee ook dynamischer maken: de oorspronkelijke meren waar volgens hem de vroege moleculen werden gevormd, zouden stromen en stromen van materiaal hebben gehad, evenals natuurlijke ‘nat-droog’-cycli, aangedreven door regen en hoge temperaturen, die zou ervoor zorgen dat kristallen zich konden vormen en oplossen, vormen en oplossen.

Noot van de redactie: Sasselov en zijn groep, evenals Joyce en Sutherland, hebben financiering ontvangen van de Simons Foundation, die dit ook financiert redactioneel onafhankelijk tijdschrift. Financieringsbeslissingen van de Simons Foundation hebben geen invloed op onze dekking.