Magnetisme kan ha gitt livet dets molekylære asymmetri | Quanta Magazine

I 1848, da Louis Pasteur var en ung kjemiker som fortsatt var mange år unna å oppdage hvordan man steriliserer melk, oppdaget han noe særegent med krystaller som ved et uhell ble dannet når en industrikjemiker kokte vin for lenge. Halvparten av krystallene var gjenkjennelig vinsyre, et industrielt nyttig salt som vokste naturlig på veggene til vintønner. De andre krystallene hadde nøyaktig samme form og symmetri, men det ene ansiktet var orientert i motsatt retning.

Forskjellen var så sterk at Pasteur kunne skille krystallene under en forstørrelseslinse med en pinsett. "De er i forhold til hverandre hva et bilde er, i et speil, i forhold til den virkelige tingen," skrev han i en avis samme år.

Selv om Pasteur ikke visste det, hadde han snublet over et av de dypeste mysteriene om livets opprinnelse på jorden i det krystalliserte bunnfallet til vinen.

Det han så var en blanding av vinsyremolekyler som hadde identiske atomsammensetninger og speilbildearrangementer av disse atomene i verdensrommet. De hadde egenskapen som senere ble kalt "kiralitet" etter det greske ordet for "hånd": Akkurat som våre venstre og høyre hender er symmetriske motsetninger av hverandre, er venstre- og høyrehendte versjoner (eller enantiomerer) av vinsyremolekylene. distinkt og ikke-ekvivalent.

Betydningen av Pasteurs observasjon gikk utover oppdagelsen av chiralitet - det var også den bemerkelsesverdige grunnen til at han så det. De syntetiske krystallene var en blanding av vinsyre-enantiomerene fordi kokeprosessen tillot venstre- og høyrehendte versjoner å danne seg i like antall. Men i de naturlige krystallene fra vintønner var alle vinsyremolekylene høyrehendte - fordi druene som ble brukt til vinen, plukket fra levende vinstokker, bare laget den enantiomeren.

Kiralitet er en signatur på livet slik vi kjenner det. Om og om igjen har biokjemikere funnet ut at når levende celler bruker kirale molekyler, bruker de utelukkende én kiralitet. Sukkerene som utgjør DNA, for eksempel, er alle høyrehendte. Aminosyrene som utgjør proteiner er alle venstrehendte. Hvis feil enantiomerer glir inn i legemidler, kan effekten noen ganger være toksisk eller til og med dødelig.

En eller annen hendelse eller serie av hendelser tidlig i livets historie må ha "knust speilet", som biokjemikere sa det, og kastet liv inn i molekylær asymmetri. Forskere har diskutert hvorfor livet ble homokiralt, og om det trengte å skje eller om det bare var et lykketreff. Ble kirale preferanser imponert på tidlig liv av partiske prøver av molekyler som kom fra verdensrommet, eller utviklet de seg på en eller annen måte ut av blandinger som startet som like deler høyre- og venstrehendte?

"Forskere har blitt mystifisert av denne observasjonen," sa Soumitra Athavale, en assisterende professor i organisk kjemi ved University of California, Los Angeles. "De har kommet med alle slags forslag gjennom årene, men det er vanskelig å komme med forslag som faktisk er relevante geologisk." Dessuten, mens mange teorier kan forklare hvorfor en type molekyl kan ha blitt homokiral, forklarte ingen av dem hvorfor hele nettverk av biomolekyler gjorde det.

Nylig publiserte en gruppe ved Harvard University en serie artikler som presenterer en spennende løsning for hvordan livets homokiralitet oppsto. De antyder at magnetiske overflater på mineraler i vannmasser på den opprinnelige jorden, ladet av planetens magnetfelt, kunne ha fungert som "kirale agenter" som tiltrakk seg noen former for molekyler mer enn andre, og startet en prosess som forsterket chiraliteten til biologiske molekyler, fra RNA-forløpere hele veien til proteiner og utover. Deres foreslåtte mekanisme ville forklare hvordan en skjevhet i sammensetningen av visse molekyler kunne ha falt utover for å skape et stort nettverk av kiral kjemi som støtter liv.

Det er ikke den eneste plausible hypotesen, men "det er en av de kuleste fordi den knytter geofysikk til geokjemi, til prebiotisk kjemi, [og] til slutt til biokjemi," sa Gerald Joyce, en biokjemiker og president for Salk Institute som ikke var involvert i studien. Han er også imponert over at hypotesen støttes av "faktiske eksperimenter" og at "de gjør dette under realistiske forhold."

CISS-effekten

Røttene til den nye teorien om homokiralitet strekker seg nesten et kvart århundre tilbake til da Ron Naaman, en professor i kjemisk fysikk ved Weizmann Institute of Science i Israel, og teamet hans oppdaget en kritisk effekt av kirale molekyler. Arbeidet deres fokuserte på det faktum at elektroner har to nøkkelegenskaper: De har en negativ ladning, og de har "spinn", en kvanteegenskap som er analog med iboende rotasjon med eller mot klokken. Når molekyler samhandler med andre molekyler eller overflater, kan elektronene deres omfordele seg selv, polarisere molekylene ved å skape en negativ ladning ved destinasjonen og en positiv ladning ved startpunktet.

Naaman og teamet hans oppdaget at kirale molekyler filtrerer elektroner basert på spinnretningen deres. Elektroner med én spinnorientering vil bevege seg mer effektivt over et kiralt molekyl i én retning enn den andre. Elektroner med motsatt spinn beveger seg friere den andre veien.

For å forstå hvorfor, forestill deg å kaste en frisbee som ser bort fra veggen i en gang. Hvis frisbeen treffer den høyre veggen, vil den bare sprette fremover hvis den roterer med klokken; ellers vil den sprette bakover. Det motsatte vil skje hvis du treffer frisbeen fra venstre vegg. På samme måte "spreder kirale molekyler elektronene i henhold til deres rotasjonsretning," sa Naaman. Han og teamet hans kalte dette fenomenet den chiral-induserte spinnselektivitetseffekten (CISS).

På grunn av denne spredningen ender elektroner med et gitt spinn opp med å aggregere på en pol av et kiralt molekyl (og de høyrehendte og venstrehendte versjonene av molekylet samler motsatte spinn ved sine respektive poler). Men den omfordelingen av spinn påvirker hvordan de kirale molekylene samhandler med magnetiske overflater fordi elektroner som spinner i motsatte retninger tiltrekker hverandre, og de som spinner i samme retning frastøter hverandre.

Følgelig, når et kiralt molekyl nærmer seg en magnetisk overflate, vil det bli trukket nærmere hvis molekylet og overflaten har motsatte spinnskjevheter. Hvis spinnene deres samsvarer, vil de frastøte hverandre. (Fordi andre kjemiske interaksjoner også skjer, kan molekylet ikke bare snu for å justere seg selv.) Så en magnetisk overflate kan fungere som et kiralt middel, fortrinnsvis samhandle med bare én enantiomer av en forbindelse.

I 2011, i samarbeid med et team ved Universitetet i Münster i Tyskland, Naaman og teamet hans målte spinn av elektroner mens de beveget seg gjennom dobbelttrådet DNA, noe som bekrefter at CISS-effekten er både ekte og sterk.

Det var da forskning på effekten og dens mulige anvendelser "begynte å boome," sa Naaman. Han og teamet hans utviklet for eksempel flere måter å bruke CISS-effekten på for å fjerne urenheter fra biomedisiner, eller for å ekskludere feil enantiomerer fra legemidler for å forhindre store bivirkninger. De har også undersøkt hvordan CISS-effekten kan bidra til å forklare mekanismer for anestesi.

Men de begynte først å jobbe seriøst med ideen om at CISS-effekten spiller en rolle i fremveksten av biologisk homokiralitet etter at de ble invitert til å samarbeide om en hypotese av et team ved Harvard ledet av astronomen Dimitar Sasselov og hans hovedfagsstudent S. Furkan Ozturk.

Et fysikkperspektiv

Ozturk, den unge hovedforfatteren på de siste avisene, kom over homokiralitetsproblemet i 2020 da han var fysikkstudent ved Harvard. Misfornøyd med forskningen sin på kvantesimuleringer ved bruk av ultrakalde atomer, bladde han gjennom et vitenskapsmagasin som beskriver 125 av de største mysteriene i verden og lærte om homokiralitet.

"Det så virkelig ut som et fysikkspørsmål fordi det handler om symmetrier," sa han. Etter å ha kontaktet Sasselov, som er direktør for Harvards Origins of Life Initiative og som allerede var interessert i spørsmålet om homokiralitet, byttet Ozturk over til å bli student i laboratoriet hans.

Ozturk og Sasselov fikk snart en idé basert på CISS-effekten. De forestilte seg en ursetting som en grunn innsjø hvor det var overflater fulle av magnetiske mineraler og vannet inneholdt en blanding av kirale forløpere til nukleotider. De teoretiserte at ultrafiolett lys kunne ha kastet ut mange elektroner fra de magnetiske overflatene, og mange av disse elektronene ville ha hatt samme spinn. De utkastede elektronene kan da ha interagert fortrinnsvis med spesifikke enantiomerer, og de resulterende kjemiske reaksjonene kan da fortrinnsvis ha satt sammen høyrehendte RNA-forløpere.

I april 2022 reiste Ozturk til Naamans laboratorium i Israel, begeistret over utsiktene til å teste hypotesen deres. Spenningen hans var kortvarig. I løpet av den neste måneden da han jobbet med Naaman, falt ideen fra hverandre. Det «fungerte ikke», sa Ozturk, og så kom han hjem, oppgitt.

Men så fikk Ozturk en annen idé. Hva om CISS-effekten ikke manifesterte seg som en kjemisk prosess, men som en fysisk?

Naamans gruppe hadde vist at de kunne bruke magnetiske overflater for å krystallisere enantiomerer fortrinnsvis. Og krystallisering ville være den enkleste måten for rensede samlinger av enantiomerer å sette sammen. Ozturk nevnte det til John Sutherland, deres samarbeidspartner ved MRC Laboratory of Molecular Biology i Storbritannia "Og jeg sa, dropp alt som har med elektroner å gjøre og bare fokuser på krystalliseringen," sa Sutherland.

Sutherland var begeistret over krystalliseringsaspektet fordi han og teamet hans allerede uavhengig hadde oppdaget at en RNA-forløper kalt ribo-aminooksazolin (RAO) kan syntetisere to av de fire byggesteinene til RNA. RAO "krystalliserer også vakkert," sa Sutherland. Når et krystallfrø dannes fra enantiomeren som tiltrekkes til overflaten, vokser krystallen fortrinnsvis ved å inkorporere mer av den samme enantiomeren.

Ozturk husker at Sutherland fortalte ham at det ville være "game over" hvis ideen om CISS-effekten fungerte. "Fordi det var så enkelt," sa Ozturk. "Det var å gjøre det på et molekyl som var så sentralt for opprinnelsen til livskjemi at hvis du klarer å gjøre det molekylet homokiralt, kan du gjøre hele systemet homokiralt."

Ozturk begynte å jobbe i Harvard-laboratoriet. Han satte magnetittoverflater på en petriskål og fylte den med en løsning som inneholdt like mengder venstrehendte og høyrehendte RAO-molekyler. Deretter satte han fatet på en magnet, satte eksperimentet i kjøleskapet og ventet på at de første krystallene skulle dukke opp. Til å begynne med fant teamet ut at 60 % av krystallene var enhånds. Da de gjentok prosessen, var krystallene deres 100 % av den samme kiraliteten.

Som de rapporterte i en studie publisert i juni i Vitenskap Fremskritt, hvis de magnetiserte overflaten én vei, skapte de krystaller som var rent høyrehendte; hvis de magnetiserte den andre veien, var krystallene rent venstrehendte. "Jeg ble veldig overrasket, fordi jeg er veldig kjent med eksperimenter som ikke fungerer," sa Ozturk. Men denne "fungerte som en sjarm."

Bak skrivebordet sitt holder Ozturk den tomme champagneflasken som Sasselov og teamet delte på en festmiddag.

Multipliser og forsterk

Men de hadde fortsatt et stort problem: Magneten de brukte i eksperimentet deres var omtrent 6,500 ganger sterkere enn jordens magnetfelt.

Så Ozturk returnerte til Weizmann-instituttet i november i fjor, og han og Naaman jobbet deretter med et oppfølgingseksperiment der de ikke brukte et eksternt magnetfelt i det hele tatt. I stedet fant de ut at når de chirale molekylene ble adsorbert på de magnetiske overflatene, skapte de et svært lokalt magnetfelt over overflaten som var opptil 50 ganger så sterkt som jordas magnetfelt. Funnene deres har blitt akseptert av et fagfellevurdert tidsskrift, men ennå ikke publisert.

"Du tvinger nabolaget til å bli magnetisert, noe som gjør det enda lettere for krystallene å fortsette å danne seg," sa Joyce. Den selvopprettholdende effekten gjør scenariet plausibelt, la han til.

Athavale er enig. Det faktum at du ikke trenger et sterkt magnetisk felt for at CISS-effekten skal oppstå er "veldig hyggelig, for nå har du sett en mulig geologisk setting," sa han.

Men den virkelige nøkkelen til å skape homokiralitet er å se på hvordan effekten kunne blitt forsterket over et nettverk av interagerende molekyler. "Det viktigste aspektet av alt dette er ikke at vi klarte å finne enda en måte å få et kiralt produkt på," sa Sasselov, men at gruppen hans hadde funnet en vei til å skape et homokiralt nettverk.

I et papir omtalt på forsiden av Journal of Chemical Physics i august foreslo Ozturk, Sasselov og Sutherland en modell for hvordan kiral informasjon kan forplante seg over et prebiotisk nettverk. Sutherland og gruppen hans hadde tidligere vist at analoger av høyrehendte overfører RNA-molekyler - som binder aminosyrer og bringer dem til ribosomet for å lage proteiner - kobles til venstrehendte aminosyrer 10 ganger raskere enn til høyrehendte. Funnet antyder at kiralt RNA fortrinnsvis lager proteiner med motsatt kiralitet, som man ser i naturen. Som forskerne skrev i avisen: "Derfor kan det biologiske homokiralitetsproblemet reduseres til å sikre at en enkelt felles RNA-forløper (f.eks. RAO) kan gjøres homokiral."

Studien forklarte ikke direkte hvorfor livets foretrukne nukleotider er høyrehendte og aminosyrene er venstrehendte, sa Ozturk. Men disse nye funnene tyder på at den avgjørende faktoren var magnetiseringen indusert av jordens felt. Athavale bemerket at selv om krystalliseringsprosessen skjedde i 100 primordiale innsjøer, ville jordens magnetfelt sørge for at de alle produserte forløpere med samme handedness i stedet for en blanding.

Joyce bemerket at det er en "kul liten vri" hvis magnetfeltet ga en slik skjevhet: Hvis livet startet på den nordlige halvkule og favoriserte molekyler med én hånd, ville det ha vist motsatt hånd om det hadde oppstått på den sørlige halvkule.

Utbredelsen av chiralitet mellom familier av molekyler er fortsatt svært hypotetisk, bemerket Athavale, selv om det er godt å få folk til å tenke. Sasselov er enig. "Ideen med denne artikkelen er å motivere folk til å gå og gjøre disse eksperimentene," sa han.

Wentao Ma, en livsopprinnelsesforsker ved Wuhan University i Kina, sa at de nye papirene markerer «interessant fremskritt». Men han ville trenge å se CISS-effekten føre til polymerisering av RNA for å se det som et fullstendig svar. "Hvis de kan oppnå dette resultatet, tror jeg vi ikke er langt unna ... løsningen," sa han.

"Jeg liker virkelig CISS-effekten," sa Noémie Globus, en astrofysiker som jobber med homokiralitetsproblemet. Det som ville være mer overbevisende, sa hun, ville være for forskerne å sjekke om meteoritter som inneholder et overskudd av aminosyrer med en spesiell handedness (som har blitt funnet før) også inneholder overflødige magnetiske partikler. Hun bemerket også at forskjellige teoretiserte mekanismer alle kunne ha skapt homokiralitet i forskjellige molekyler.

Jeffrey Bada, en emeritusprofessor ved Scripps Institution of Oceanography ved University of California, San Diego, er skeptisk til ideen. Han tror ikke at RNA kunne ha blitt syntetisert under primordiale forhold som det første selvreplikerende molekylet. "Ingen har laget RNA i en prebiotisk sammenheng," sa han, fordi det er for mange problemer med stabiliteten til molekylet.

Sutherlands team jobber fortsatt med å vise at de to andre typene nukleotider kan lages fra RNA-forløpermolekylet. "Jeg tror vi er ganske nærme," sa Sutherland. "Men gruppen min vil fortelle deg at jeg har sagt det i 22 år."

Enten CISS-effekten representerer løsningen, en del av løsningen eller ingen løsning i det hele tatt, er det åpenbare neste trinn for å teste den. "Den har alle aspektene av en fin hypotese hvor du kommer opp med noe kreativt, noe som er gjennomførbart, og så noe som til slutt kan testes," sa Athavale. Det mest overbevisende neste trinnet, mener han, ville være å vise geologiske bevis på at prosessen kunne ha skjedd utenfor laboratoriet.

Over en Zoom-samtale holdt Ozturk opp en flat svart stein som han hadde plukket opp på en tur til Australia, et sted fylt med magnetiske jernsteiner som han håper å gjenskape eksperimentene sine på. Han ønsker også å gjøre fremtidige tester av ideen mer dynamiske: De opprinnelige innsjøene der han tror de tidlige molekylene som ble dannet ville ha hatt strømmer og strømmer av materiale, så vel som naturlige "våt-tørre" sykluser drevet av regn og høye temperaturer, som ville tillate krystaller å dannes og oppløses, dannes og oppløses.

Redaktørens notat: Sasselov og hans gruppe, samt Joyce og Sutherland, har mottatt midler fra Simons Foundation, som også finansierer dette redaksjonelt uavhengig magasin. Simons Foundations finansieringsbeslutninger har ingen innflytelse på vår dekning.