Magnetyzm mógł nadać życiu asymetrię molekularną | Magazyn Quanta

W 1848 roku, kiedy Louis Pasteur był młodym chemikiem, a do odkrycia sposobu sterylizacji mleka brakowało jeszcze wielu lat, odkrył coś osobliwego w kryształach, które przypadkowo utworzyły się, gdy chemik przemysłowy zbyt długo gotował wino. Połowę kryształów stanowił kwas winowy, sól przydatna w przemyśle, która naturalnie rosła na ściankach beczek z winem. Pozostałe kryształy miały dokładnie ten sam kształt i symetrię, ale jedna ściana była zorientowana w przeciwnym kierunku.

Różnica była tak wyraźna, że ​​Pasteur był w stanie rozdzielić kryształy za pomocą pęsety pod soczewką powiększającą. „Są w stosunku do siebie tym, czym obraz w lustrze w stosunku do rzeczywistości” – napisał w gazecie z tego roku.

Choć Pasteur o tym nie wiedział, w skrystalizowanych osadach tego wina natknął się na jedną z najgłębszych tajemnic dotyczących pochodzenia życia na Ziemi.

To, co widział, było mieszaniną cząsteczek kwasu winowego o identycznym składzie atomowym i lustrzanym odbiciu tych atomów w przestrzeni. Posiadali oni właściwość nazwaną później „chiralnością” od greckiego słowa oznaczającego „dłoń”: tak jak nasza lewa i prawa ręka są symetrycznymi przeciwieństwami, tak lewoskrętna i prawoskrętna wersja (lub enancjomery) cząsteczek kwasu winowego są odrębne i nierównoważne.

Znaczenie obserwacji Pasteura wykraczało poza odkrycie chiralności – istniał także niezwykły powód, dla którego ją zauważył. Syntetyczne kryształy były mieszaniną enancjomerów kwasu winowego, ponieważ proces wrzenia pozwolił na utworzenie się w równych ilościach wersji lewoskrętnej i prawoskrętnej. Jednak w naturalnych kryształach z beczek z winem wszystkie cząsteczki kwasu winowego były prawoskrętne – ponieważ winogrona użyte do produkcji wina, zebrane z żywych winorośli, wytworzyły jedynie ten enancjomer.

Chiralność jest cechą życia, jakie znamy. Biochemicy wielokrotnie odkrywali, że gdy żywe komórki wykorzystują cząsteczki chiralne, korzystają wyłącznie z jednej chiralności. Na przykład wszystkie cukry tworzące DNA są prawoskrętne. Wszystkie aminokwasy tworzące białka są lewoskrętne. Jeśli do środków farmaceutycznych przedostaną się niewłaściwe enancjomery, skutki mogą czasami być toksyczne, a nawet śmiertelne.

Jakieś wydarzenie lub seria wydarzeń na początku historii życia musiała „rozbić lustro”, jak to ujęli biochemicy, wtrącając życie w molekularną asymetrię. Naukowcy debatowali, dlaczego życie stało się homochiralne i czy musiało się to wydarzyć, czy też było to wyłącznie przypadek. Czy preferencje chiralne zostały odciśnięte na wczesnym etapie życia przez stronnicze próbki cząsteczek przybyłych z kosmosu, czy też w jakiś sposób wyewoluowały z mieszanin, które na początku były równe części prawo- i lewoskrętne?

„Naukowcy byli zdumieni tą obserwacją” – stwierdził Soumitra Athavale, adiunkt chemii organicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. „Przez lata przedstawiali najróżniejsze propozycje, ale trudno jest przedstawić propozycje, które byłyby rzeczywiście istotne z geologicznego punktu widzenia”. Co więcej, choć wiele teorii mogłoby wyjaśnić, dlaczego jeden typ cząsteczki mógł stać się homochiralny, żadna z nich nie wyjaśniała, dlaczego stało się to z całą siecią biomolekuł.

Niedawno grupa z Uniwersytetu Harvarda opublikowała serię artykułów przedstawiających intrygujące rozwiązanie problemu pojawienia się homochiralności życia. Sugerują, że powierzchnie magnetyczne minerałów w zbiornikach wodnych pierwotnej Ziemi, naładowane polem magnetycznym planety, mogły służyć jako „czynniki chiralne”, które przyciągały pewne formy cząsteczek bardziej niż inne, rozpoczynając proces wzmacniający chiralność cząsteczek cząsteczki biologiczne, od prekursorów RNA aż po białka i nie tylko. Proponowany przez nich mechanizm wyjaśniałby, w jaki sposób odchylenie w składzie niektórych cząsteczek mogło rozprzestrzenić się kaskadą na zewnątrz, tworząc rozległą sieć chemii chiralnej wspierającej życie.

Nie jest to jedyna prawdopodobna hipoteza, ale „jest jedną z najfajniejszych, ponieważ łączy geofizykę z geochemią, chemią prebiotyczną [i] ostatecznie z biochemią” – stwierdził Geralda Joyce'a, biochemik i prezes Instytutu Salka, który nie brał udziału w badaniu. Jest także pod wrażeniem, że hipoteza jest poparta „faktycznymi eksperymentami” i że „robią to w realistycznych warunkach”.

Efekt CISS

Korzenie nowej teorii homochiralności sięgają niemal ćwierć wieku wstecz Rona Naamana, profesor fizyki chemicznej w Instytucie Nauki Weizmanna w Izraelu i jego zespół odkryli krytyczny wpływ cząsteczek chiralnych. Ich prace skupiały się na fakcie, że elektrony mają dwie kluczowe właściwości: niosą ładunek ujemny i mają „spin”, właściwość kwantową analogiczną do wewnętrznej rotacji w prawo lub w lewo. Kiedy cząsteczki oddziałują z innymi cząsteczkami lub powierzchniami, ich elektrony mogą się ponownie rozmieścić, polaryzując cząsteczki, tworząc ładunek ujemny w miejscu docelowym i ładunek dodatni w punkcie początkowym.

Naaman i jego zespół odkryli, że chiralne cząsteczki filtrują elektrony w oparciu o kierunek ich spinu. Elektrony o jednej orientacji spinu będą poruszać się wydajniej po chiralnej cząsteczce w jednym kierunku niż w drugim. Elektrony o przeciwnym spinie poruszają się swobodniej w drugą stronę.

Aby zrozumieć dlaczego, wyobraź sobie, że rzucasz frisbee, które odbija się od ściany korytarza. Jeśli frisbee uderzy w prawą ścianę, odbije się do przodu tylko wtedy, gdy będzie się obracać zgodnie z ruchem wskazówek zegara; w przeciwnym razie odbije się do tyłu. Sytuacja będzie odwrotna, jeśli uderzysz frisbee w lewą ścianę. Podobnie cząsteczki chiralne „rozpraszają elektrony zgodnie z kierunkiem rotacji” – powiedział Naaman. On i jego zespół nazwali to zjawisko efektem chiralnej selektywności spinowej (CISS).

Z powodu tego rozpraszania elektrony o danym spinie gromadzą się na jednym biegunie chiralnej cząsteczki (a prawoskrętna i lewoskrętna wersja cząsteczki zbierają przeciwne spiny na swoich odpowiednich biegunach). Jednak ta redystrybucja spinów wpływa na interakcję chiralnych cząsteczek z powierzchniami magnetycznymi, ponieważ elektrony wirujące w przeciwnych kierunkach przyciągają się, a elektrony wirujące w tym samym kierunku odpychają się.

W rezultacie, gdy chiralna cząsteczka zbliża się do powierzchni magnetycznej, zostanie przyciągnięta bliżej, jeśli cząsteczka i powierzchnia mają przeciwne obciążenie spinowe. Jeśli ich obroty się zgadzają, będą się odpychać. (Ponieważ zachodzą także inne interakcje chemiczne, cząsteczka nie może po prostu odwrócić się, aby ponownie się ustawić.) Zatem powierzchnia magnetyczna może działać jako czynnik chiralny, preferencyjnie oddziałując tylko z jednym enancjomerem związku.

W 2011 roku, we współpracy z zespołem z Uniwersytetu w Münster w Niemczech, Naaman i jego zespół zmierzył spin elektronów przemieszczających się przez dwuniciowy DNA, potwierdzając, że efekt CISS jest zarówno rzeczywisty, jak i silny.

To właśnie wtedy badania nad tym efektem i jego możliwymi zastosowaniami „zaczęły się rozwijać” – powiedział Naaman. Na przykład on i jego zespół opracowali kilka sposobów wykorzystania efektu CISS do usuwania zanieczyszczeń z leków biomedycznych lub wykluczania niewłaściwych enancjomerów z leków, aby zapobiec poważnym skutkom ubocznym. Zbadali także, w jaki sposób efekt CISS może pomóc w wyjaśnieniu mechanizmy znieczulenia.

Ale zaczęli poważnie pracować nad koncepcją, że efekt CISS odgrywa rolę we wzroście homochiralności biologicznej dopiero po tym, jak zespół z Harvardu pod przewodnictwem astronoma zaprosił ich do współpracy nad hipotezą Dimitar Sasselow i jego absolwent S. Furkana Ozturka.

Perspektywa fizyki

Ozturk, młody główny autor ostatnich artykułów, zetknął się z problemem homochiralności w 2020 roku, gdy był studentem fizyki na Harvardzie. Niezadowolony ze swoich badań nad symulacjami kwantowymi z wykorzystaniem ultrazimnych atomów, przejrzał czasopismo naukowe opisujące 125 największych tajemnic świata i dowiedział się o homochiralności.

„To naprawdę wyglądało jak pytanie z fizyki, ponieważ dotyczy symetrii” – powiedział. Po skontaktowaniu się z Sasselovem, dyrektorem harwardzkiej inicjatywy Origins of Life Initiative, który był już zainteresowany kwestią homochiralności, Ozturk przeniósł się na stanowisko studenta w swoim laboratorium.

Ozturk i Sasselov wkrótce wpadli na pomysł oparty na efekcie CISS. Wyobrazili sobie pierwotne otoczenie, takie jak płytkie jezioro, którego powierzchnie są pełne minerałów magnetycznych, a woda zawiera mieszaninę chiralnych prekursorów nukleotydów. Wysunęli teorię, że światło ultrafioletowe mogło wyrzucić wiele elektronów z powierzchni magnetycznych, a wiele z tych elektronów miałoby ten sam spin. Wyrzucone elektrony mogłyby wówczas preferencyjnie oddziaływać z określonymi enancjomerami, a powstałe reakcje chemiczne mogłyby następnie preferencyjnie złożyć prawoskrętne prekursory RNA.

W kwietniu 2022 roku Ozturk udał się do laboratorium Naamana w Izraelu, zachwycony perspektywą przetestowania swojej hipotezy. Jego podekscytowanie trwało krótko. W ciągu następnego miesiąca, gdy pracował z Naamanem, pomysł upadł. „To nie zadziałało” – powiedział Ozturk i wrócił do domu przygnębiony.

Ale wtedy Ozturk wpadł na inny pomysł. Co by było, gdyby efekt CISS nie objawiał się jako proces chemiczny, ale jako proces fizyczny?

Grupa Naamana wykazała, że ​​można wykorzystać powierzchnie magnetyczne do preferencyjnej krystalizacji enancjomerów. Krystalizacja byłaby najłatwiejszym sposobem gromadzenia oczyszczonych zbiorów enancjomerów. Ozturk o tym wspomniał John Sutherland, ich współpracownik w Laboratorium Biologii Molekularnej MRC w Wielkiej Brytanii „I powiedziałem, porzuć wszystko, co ma związek z elektronami i skup się na krystalizacji” – powiedział Sutherland.

Sutherland był podekscytowany aspektem krystalizacji, ponieważ on i jego zespół niezależnie odkryli już, że prekursor RNA zwany ryboaminooksazoliną (RAO) może syntetyzować dwa z czterech elementów składowych RNA. RAO również „pięknie krystalizuje” – powiedział Sutherland. Gdy z enancjomeru przyciąganego do powierzchni utworzy się zarodek kryształu, kryształ preferencyjnie rośnie poprzez wprowadzenie większej ilości tego samego enancjomeru.

Ozturk pamięta, jak Sutherland powiedział mu, że „gra zakończy się”, jeśli pomysł z efektem CISS zadziała. „Ponieważ to było takie proste” – powiedział Ozturk. „Działało to na cząsteczce, która była tak kluczowa dla początków chemii życia, że ​​jeśli uda ci się uczynić tę cząsteczkę homochiralną, możesz uczynić cały system homochiralnym”.

Ozturk wziął się do pracy w laboratorium na Harvardzie. Umieścił powierzchnie magnetytu na szalce Petriego i napełnił ją roztworem zawierającym równe ilości lewoskrętnych i prawoskrętnych cząsteczek RAO. Następnie umieścił naczynie na magnesie, włożył eksperyment do lodówki i czekał, aż pojawią się pierwsze kryształy. Początkowo zespół odkrył, że 60% kryształów wykonano jedną ręką. Kiedy powtórzyli proces, ich kryształy miały w 100% tę samą chiralność.

Jak podali w badaniu opublikowanym w czerwcu br Postępy naukijeśli magnesowali powierzchnię w jeden sposób, tworzyli kryształy, które były całkowicie prawoskrętne; jeśli namagnetyzowaliby go w drugą stronę, kryształy byłyby wyłącznie lewoskrętne. „Byłem bardzo zaskoczony, ponieważ doskonale znam eksperymenty, które nie działają” – powiedział Ozturk. Ale ten „działał jak urok”.

Za biurkiem Ozturk trzyma pustą butelkę szampana, którą Sasselov i zespół wypili podczas uroczystej kolacji.

Pomnóż i wzmocnij

Ale nadal mieli poważny problem: magnes, którego użyli w swoim eksperymencie, był około 6,500 razy silniejszy niż ziemskie pole magnetyczne.

Zatem Ozturk wrócił do Instytutu Weizmanna w listopadzie zeszłego roku, a następnie wraz z Naamanem pracowali nad kolejnym eksperymentem, w którym w ogóle nie używali zewnętrznego pola magnetycznego. Zamiast tego odkryli, że gdy cząsteczki chiralne zostały zaadsorbowane na powierzchniach magnetycznych, wytworzyły nad powierzchnią wysoce lokalne pole magnetyczne, które było nawet 50 razy silniejsze od pola magnetycznego Ziemi. Wyniki ich badań zostały zaakceptowane przez recenzowane czasopismo, ale nie zostały jeszcze opublikowane.

„Zmuszasz otoczenie do namagnesowania, co jeszcze bardziej ułatwia tworzenie się kryształów” – stwierdziła Joyce. Dodał, że ten samonapędzający się efekt sprawia, że ​​scenariusz jest prawdopodobny.

Athavale zgadza się. Fakt, że do wystąpienia efektu CISS nie jest potrzebne silne pole magnetyczne, jest „naprawdę miły, ponieważ teraz widzieliśmy możliwe położenie geologiczne” – powiedział.

Jednak prawdziwym kluczem do stworzenia homochiralności jest sprawdzenie, w jaki sposób można wzmocnić efekt w sieci oddziałujących cząsteczek. „Najważniejszym aspektem tego wszystkiego nie jest to, że udało nam się znaleźć kolejny sposób na uzyskanie produktu chiralnego” – powiedział Sasselov, ale to, że jego grupa znalazła sposób na stworzenie sieci homochiralnej.

W artykule zamieszczonym na okładce Czasopismo Fizyki Chemicznej w sierpniu Ozturk, Sasselov i Sutherland zaproponowali model propagacji informacji chiralnej w sieci prebiotycznej. Sutherland i jego grupa wykazali wcześniej, że analogi prawoskrętnych cząsteczek RNA transferu, które wiążą aminokwasy i przenoszą je do rybosomu w celu wytworzenia białek, łączą się z aminokwasami lewoskrętnymi 10 razy szybciej niż z aminokwasami prawoskrętnymi. Odkrycie sugeruje, że chiralny RNA preferencyjnie tworzy białka o przeciwnej chiralności, jak to obserwuje się w naturze. Jak napisali naukowcy w artykule: „Dlatego problem biologicznej homochiralności można sprowadzić do zapewnienia, że ​​pojedynczy wspólny prekursor RNA (np. RAO) może stać się homochiralny”.

Badanie nie wyjaśniło bezpośrednio, dlaczego preferowane przez życie nukleotydy są prawoskrętne, a aminokwasy lewoskrętne, powiedział Ozturk. Jednak nowe odkrycia sugerują, że czynnikiem decydującym było namagnesowanie wywołane polem ziemskim. Athavale zauważył, że nawet gdyby proces krystalizacji zachodził w 100 pierwotnych jeziorach, ziemskie pole magnetyczne zapewniłoby, że wszystkie wytworzyłyby prekursory o tej samej zdolności, a nie mieszaninę.

Joyce zauważyła, że ​​istnieje „fajny mały zwrot akcji”, jeśli pole magnetyczne powoduje takie odchylenie: jeśli życie rozpoczęło się na półkuli północnej i faworyzowało cząsteczki jedną ręką, to pokazałoby przeciwną stronę, gdyby powstało na półkuli południowej.

Athavale zauważył, że propagacja chiralności pomiędzy rodzinami cząsteczek jest nadal wysoce hipotetyczna, chociaż dobrze jest skłonić ludzi do myślenia. Sasselov zgadza się. „Ideą tego artykułu jest zmotywowanie ludzi do przeprowadzania tych eksperymentów” – powiedział.

Wentao Mam, badacz początków życia na Uniwersytecie Wuhan w Chinach, stwierdził, że nowe artykuły oznaczają „interesujący postęp”. Musiałby jednak zobaczyć, jak efekt CISS prowadzi do polimeryzacji RNA, aby uznać to za pełną odpowiedź. „Jeśli uda im się osiągnąć ten wynik, myślę, że nie jesteśmy daleko od… rozwiązania” – powiedział.

„Naprawdę podoba mi się efekt CISS” – stwierdziła Noémie Globus, astrofizyk pracujący nad problemem homochiralności. Bardziej przekonujące – stwierdziła – byłoby, gdyby badacze sprawdzili, czy meteoryty zawierające nadmiar aminokwasów o określonej dłoni (które stwierdzono wcześniej) zawierają również nadmiar cząstek magnetycznych. Zauważyła również, że różne teoretyczne mechanizmy mogły powodować homochiralność w różnych cząsteczkach.

Jeffreya Badę, emerytowany profesor w Instytucie Oceanografii Scripps na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, jest sceptyczny wobec tego pomysłu. Nie wierzy, że RNA mógł zostać zsyntetyzowany w warunkach pierwotnych jako pierwsza samoreplikująca się cząsteczka. „Nikt nie stworzył RNA w kontekście prebiotycznym” – stwierdził, ponieważ istnieje zbyt wiele problemów ze stabilnością cząsteczki.

Zespół Sutherlanda wciąż pracuje nad wykazaniem, że pozostałe dwa typy nukleotydów można wytworzyć z cząsteczki prekursora RNA. „Myślę, że jesteśmy cholernie blisko” – powiedział Sutherland. „Ale moja grupa powie wam, że mówię to od 22 lat”.

Niezależnie od tego, czy efekt CISS stanowi rozwiązanie, jego część, czy też nie stanowi żadnego rozwiązania, istnieją oczywiste kolejne kroki w celu jego przetestowania. „Ma wszystkie aspekty dobrej hipotezy, w której wymyśla się coś kreatywnego, coś wykonalnego, a następnie coś, co można ostatecznie przetestować” – powiedział Athavale. Jego zdaniem najbardziej przekonującym następnym krokiem byłoby przedstawienie dowodów geologicznych na to, że proces ten mógł zachodzić poza laboratorium.

Podczas rozmowy przez Zoom Ozturk podniósł płaską czarną skałę, którą zabrał podczas podróży do Australii – miejsca wypełnionego magnetycznymi żelaznymi skałami, na których ma nadzieję powtórzyć swoje eksperymenty. Chce także, aby przyszłe testy tego pomysłu były bardziej dynamiczne: w pierwotnych jeziorach, w których jego zdaniem powstały wczesne cząsteczki, występowały strumienie i przepływy materiału, a także naturalne cykle „mokro-suszenie” napędzane deszczami i wysokimi temperaturami, co pozwoliłoby kryształom tworzyć się i rozpuszczać, tworzyć i rozpuszczać.

Komentarz edytora: Sasselov i jego grupa, a także Joyce i Sutherland otrzymali fundusze od Fundacji Fundacja Simonsa, która również to finansuje magazyn niezależny redakcyjny. Decyzje o finansowaniu Fundacji Simonsa nie mają wpływu na nasz zasięg.