Магнетизм, возможно, дал жизни ее молекулярную асимметрию | Журнал Кванта

В 1848 году, когда Луи Пастер был молодым химиком, которому еще оставалось много лет до открытия способа стерилизации молока, он обнаружил кое-что необычное в кристаллах, которые случайно образовались, когда промышленный химик слишком долго кипятил вино. Половина кристаллов явно представляла собой винную кислоту, промышленно полезную соль, которая естественным образом росла на стенках винных бочек. Остальные кристаллы имели точно такую ​​же форму и симметрию, но одна грань была ориентирована в противоположную сторону.

Разница была настолько разительной, что Пастер мог разделить кристаллы под увеличительным стеклом с помощью пинцета. «Они по отношению друг к другу — то же самое, что изображение в зеркале по отношению к реальной вещи», — написал он в статье того года.

Хотя Пастер и не подозревал об этом, в кристаллизованных осадках этого вина он наткнулся на одну из глубочайших загадок происхождения жизни на Земле.

То, что он видел, было смесью молекул винной кислоты, которые имели идентичный атомный состав и зеркальное расположение этих атомов в пространстве. Они обладали свойством, позже названным «хиральностью» от греческого слова, означающего «рука»: точно так же, как наши левая и правая руки являются симметричными противоположностями друг друга, левая и правая версии (или энантиомеры) молекул винной кислоты различимы и неэквивалентны.

Значение наблюдения Пастера выходило за рамки открытия хиральности — была еще и примечательная причина, по которой он это видел. Синтетические кристаллы представляли собой смесь энантиомеров винной кислоты, поскольку процесс кипения позволял образовывать левые и правые версии в равных количествах. Но в натуральных кристаллах из винных бочек все молекулы винной кислоты были правосторонними — потому что виноград, используемый для вина, собранный с живых лоз, производил только этот энантиомер.

Хиральность — это признак жизни, какой мы ее знаем. Биохимики снова и снова обнаруживали, что когда живые клетки используют хиральные молекулы, они используют исключительно одну хиральность. Например, все сахара, из которых состоит ДНК, правосторонние. Все аминокислоты, входящие в состав белков, левосторонние. Если в фармацевтические препараты попадают неправильные энантиомеры, последствия иногда могут быть токсичными или даже смертельными.

Какое-то событие или серия событий на ранних этапах истории жизни, должно быть, «разбили зеркало», как выразились биохимики, повергнув жизнь в молекулярную асимметрию. Ученые спорят, почему жизнь стала гомохиральной и нужно ли это было, или это была просто случайность. Были ли хиральные предпочтения сформированы на ранних стадиях жизни предвзятыми выборками молекул, прибывшими из космоса, или они каким-то образом возникли из смесей, которые изначально представляли собой равные части правых и левых?

«Ученые были озадачены этим наблюдением», — сказал Сумитра Атавале, доцент кафедры органической химии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «На протяжении многих лет они выдвигали всевозможные предложения, но трудно придумать предложения, которые действительно актуальны с геологической точки зрения». Более того, хотя многие теории могли объяснить, почему один тип молекул мог стать гомохиральным, ни одна из них не объясняла, почему это сделали целые сети биомолекул.

Недавно группа из Гарвардского университета опубликовала серию статей, в которых предлагается интригующее объяснение того, как возникла гомохиральность жизни. Они предполагают, что магнитные поверхности минералов в водоемах древней Земли, заряженные магнитным полем планеты, могли служить «хиральными агентами», которые притягивали одни формы молекул больше, чем другие, запуская процесс, усиливающий хиральность биологические молекулы, от предшественников РНК до белков и не только. Предложенный ими механизм мог бы объяснить, как смещение в составе определенных молекул могло распространиться наружу и создать обширную сеть хиральной химии, поддерживающей жизнь.

Это не единственная правдоподобная гипотеза, но «одна из самых крутых, потому что она связывает геофизику с геохимией, с пребиотической химией и, в конечном счете, с биохимией», — сказал он. Джеральд Джойс, биохимик и президент Института Солка, не принимавший участия в исследовании. Он также впечатлен тем, что гипотеза подкреплена «реальными экспериментами» и что «они делают это в реалистичных условиях».

Эффект СНПЧ

Корни новой теории гомохиральности уходят почти на четверть века, когда Рон Нааман, профессор химической физики Института науки Вейцмана в Израиле, и его команда обнаружили критический эффект хиральных молекул. Их работа была сосредоточена на том факте, что электроны обладают двумя ключевыми свойствами: они несут отрицательный заряд и обладают «спином» — квантовым свойством, аналогичным внутреннему вращению по часовой стрелке или против часовой стрелки. Когда молекулы взаимодействуют с другими молекулами или поверхностями, их электроны могут перераспределяться, поляризуя молекулы, создавая отрицательный заряд в пункте назначения и положительный заряд в начальной точке.

Нааман и его команда обнаружили, что хиральные молекулы фильтруют электроны в зависимости от направления их вращения. Электроны с одной ориентацией спина будут более эффективно перемещаться по хиральной молекуле в одном направлении, чем в другом. Электроны с противоположным спином более свободно движутся в другую сторону.

Чтобы понять почему, представьте себе, что вы бросаете фрисби, который отскакивает от стены коридора. Если фрисби ударится о правую стену, оно отскочит вперед, только если будет вращаться по часовой стрелке; в противном случае он отскочит назад. Противоположное произойдет, если вы отбросите фрисби от левой стены. Аналогичным образом, хиральные молекулы «рассеивают электроны в соответствии с направлением их вращения», — сказал Нааман. Он и его команда назвали это явление эффектом хирально-индуцированной спиновой селективности (CISS).

Из-за этого рассеяния электроны с заданным спином в конечном итоге агрегируются на одном полюсе хиральной молекулы (а правая и левая версии молекулы собирают противоположные спины на своих соответствующих полюсах). Но это перераспределение спинов влияет на то, как хиральные молекулы взаимодействуют с магнитными поверхностями, поскольку электроны, вращающиеся в противоположных направлениях, притягивают друг друга, а электроны, вращающиеся в одном направлении, отталкивают друг друга.

Следовательно, когда хиральная молекула приближается к магнитной поверхности, она будет приближаться, если молекула и поверхность имеют противоположные спиновые смещения. Если их вращения совпадают, они отталкиваются друг от друга. (Поскольку происходят и другие химические взаимодействия, молекула не может просто перевернуться, чтобы перестроиться.) Таким образом, магнитная поверхность может действовать как хиральный агент, предпочтительно взаимодействуя только с одним энантиомером соединения.

В 2011 году в сотрудничестве с командой Мюнстерского университета в Германии Нааман и его команда измерил вращение электронов при их движении через двухцепочечную ДНК, подтверждая, что эффект CISS реален и силен.

Именно тогда исследования этого эффекта и его возможных применений «начали бум», сказал Нааман. Например, он и его команда разработали несколько способов использования эффекта СНПЧ для удаления примесей из биомедицин или исключения неправильных энантиомеров из лекарств для предотвращения серьезных побочных эффектов. Они также исследовали, как эффект СНПЧ может помочь объяснить механизмы анестезии.

Но серьезно работать над идеей о том, что эффект CISS играет роль в возникновении биологической гомокиральности, они начали только после того, как их пригласила к сотрудничеству над гипотезой группа из Гарварда под руководством астронома. Димитар Саселов и его аспирант С. Фуркан Озтюрк.

Физический взгляд

Озтюрк, молодой ведущий автор последних статей, столкнулся с проблемой гомохиральности в 2020 году, когда был аспирантом по физике в Гарварде. Недовольный своими исследованиями по квантовому моделированию с использованием ультрахолодных атомов, он пролистал научный журнал, в котором подробно описывались 125 величайших загадок мира, и узнал о гомокиральности.

«Это действительно было похоже на вопрос по физике, потому что речь идет о симметрии», — сказал он. Обратившись к Саселову, который является директором Гарвардской инициативы «Происхождение жизни» и который уже интересовался вопросом гомокиральности, Озтюрк переключился на студента в своей лаборатории.

Озтюрк и Саселов вскоре пришли к идее, основанной на эффекте СНПЧ. Они представили себе первобытную среду, похожую на мелкое озеро, поверхность которого заполнена магнитными минералами, а вода содержит смесь хиральных предшественников нуклеотидов. Они предположили, что ультрафиолетовый свет мог выбросить множество электронов с магнитных поверхностей, и многие из этих электронов имели бы одинаковый спин. Выброшенные электроны могли бы затем преимущественно взаимодействовать с конкретными энантиомерами, и в результате химических реакций могли бы затем преимущественно собираться правосторонние предшественники РНК.

В апреле 2022 года Озтюрк отправился в лабораторию Неемана в Израиле, воодушевленный перспективой проверить свою гипотезу. Его волнение было недолгим. В течение следующего месяца, пока он работал с Нееманом, идея развалилась. «Это не сработало», — сказал Озтюрк, и поэтому он вернулся домой удрученный.

Но тогда у Озтюрка возникла другая идея. Что, если бы эффект СНПЧ проявлялся не как химический процесс, а как физический?

Группа Неемана показала, что они могут использовать магнитные поверхности преимущественно для кристаллизации энантиомеров. А кристаллизация была бы самым простым способом сборки очищенных коллекций энантиомеров. Озтюрк упомянул об этом Джон Сазерленд, их сотрудник из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Великобритании. «И я сказал: отбросьте все, что связано с электронами, и просто сосредоточьтесь на кристаллизации», — сказал Сазерленд.

Сазерленд был воодушевлен аспектом кристаллизации, поскольку он и его команда уже независимо обнаружили, что предшественник РНК, называемый рибоаминооксазолином (РАО), может синтезировать два из четырех строительных блоков РНК. RAO также «прекрасно кристаллизуется», сказал Сазерленд. Как только из энантиомера, притянутого к поверхности, образуется кристаллическая затравка, кристалл преимущественно растет за счет включения большего количества того же энантиомера.

Озтюрк вспоминает, как Сазерленд сказал ему, что если бы идея эффекта СНПЧ сработала, игра была бы «кончена». «Потому что это было так просто», — сказал Озтюрк. «Он делал это с молекулой, которая сыграла настолько важную роль в возникновении химии жизни, что если вам удастся сделать эту молекулу гомохиральной, вы сможете сделать гомохиральной всю систему».

Озтюрк устроился на работу в лабораторию Гарварда. Он поместил поверхности магнетита на чашку Петри и наполнил ее раствором, содержащим равное количество левых и правых молекул РАО. Затем он поставил блюдо на магнит, поставил эксперимент в холодильник и стал ждать появления первых кристаллов. Сначала команда обнаружила, что 60% кристаллов были собраны в одиночку. Когда они повторили процесс, их кристаллы оказались на 100% одинаковой хиральности.

Как они сообщили в исследовании, опубликованном в июне в Наука развивается, если они намагничивали поверхность в одну сторону, они создавали кристаллы, которые были чисто правосторонними; если бы они намагничили его в другую сторону, кристаллы были бы чисто левыми. «Я был очень удивлен, потому что я очень хорошо знаком с экспериментами, которые не работают», — сказал Озтюрк. Но этот «сработал как шарм».

За своим столом Озтюрк хранит пустую бутылку шампанского, которую Саселов и его команда разделили на праздничном ужине.

Умножайте и усиливайте

Но у них все еще была серьезная проблема: магнит, который они использовали в своем эксперименте, был примерно в 6,500 раз сильнее магнитного поля Земли.

Поэтому Озтюрк вернулся в Институт Вейцмана в ноябре прошлого года, и затем он и Нааман работали над последующим экспериментом, в котором они вообще не использовали внешнее магнитное поле. Вместо этого они обнаружили, что когда хиральные молекулы адсорбируются на магнитных поверхностях, они создают над поверхностью высоколокальное магнитное поле, которое в 50 раз сильнее магнитного поля Земли. Их выводы были приняты рецензируемым журналом, но еще не опубликованы.

«Вы заставляете окрестности намагничиваться, что еще больше облегчает дальнейшее формирование кристаллов», — сказал Джойс. Этот самовоспроизводящийся эффект делает сценарий правдоподобным, добавил он.

Атавале соглашается. Тот факт, что для возникновения эффекта СНПЧ не требуется сильное магнитное поле, «действительно хорош, потому что теперь вы увидели возможную геологическую обстановку», сказал он.

Но настоящий ключ к созданию гомокиральности заключается в том, чтобы посмотреть, как этот эффект мог быть усилен через сеть взаимодействующих молекул. «Самый важный аспект всего этого не в том, что нам удалось найти еще один способ получить хиральный продукт», — сказал Саселов, а в том, что его группа нашла путь к созданию гомохиральной сети.

В статье, представленной на обложке Журнал химической физики в августе Озтюрк, Саселов и Сазерленд предложили модель того, как хиральная информация может распространяться по пребиотической сети. Сазерленд и его группа ранее показали, что аналоги правосторонних молекул транспортной РНК, которые связывают аминокислоты и доставляют их к рибосоме для образования белков, связываются с левосторонними аминокислотами в 10 раз быстрее, чем с правосторонними. Это открытие позволяет предположить, что хиральная РНК преимущественно образует белки противоположной хиральности, как это наблюдается в природе. Как пишут исследователи в статье: «Следовательно, проблема биологической гомохиральности может быть сведена к обеспечению того, чтобы один общий предшественник РНК (например, RAO) мог стать гомохиральным».

Исследование не объяснило напрямую, почему предпочтительные для жизни нуклеотиды являются правосторонними, а аминокислоты — левосторонними, сказал Озтюрк. Но эти новые результаты позволяют предположить, что определяющим фактором была намагниченность, индуцированная полем Земли. Атавале отметил, что даже если бы процесс кристаллизации происходил в 100 первичных озерах, магнитное поле Земли гарантировало бы, что все они будут производить предшественники с одинаковой структурой, а не смесью.

Джойс отметил, что если бы магнитное поле давало такое смещение, то это был бы «крутой поворот»: если бы жизнь зародилась в северном полушарии и отдавала предпочтение однонаправленным молекулам, тогда она бы показала противоположную направленность, если бы возникла в южном полушарии.

Распространение хиральности между семействами молекул все еще остается весьма гипотетичным, отметил Атавале, хотя это полезно заставить людей задуматься. Саселов соглашается. «Идея этой статьи — побудить людей пойти и провести эти эксперименты», — сказал он.

Вентао Ма, исследователь происхождения жизни из Уханьского университета в Китае, сказал, что новые статьи отмечают «интересный прогресс». Но чтобы увидеть в этом полный ответ, ему нужно было бы увидеть, как эффект СНПЧ приводит к полимеризации РНК. «Если они смогут достичь этого результата, я думаю, мы недалеки от… решения», — сказал он.

«Мне очень нравится эффект СНПЧ», — сказал Ноэми Глобус, астрофизик, работающий над проблемой гомохиральности. По ее словам, было бы более убедительно, если бы исследователи проверили, содержат ли метеориты, содержащие избыток аминокислот с определенной направленностью (которые были обнаружены ранее), также избыточные магнитные частицы. Она также отметила, что разные теоретические механизмы могли создавать гомохиральность в разных молекулах.

Джеффри Бада, почетный профессор Океанографического института Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, скептически относится к этой идее. Он не верит, что РНК могла быть синтезирована в первобытных условиях как первая самовоспроизводящаяся молекула. «Никто не создавал РНК в пребиотическом контексте», — сказал он, потому что существует слишком много проблем со стабильностью молекулы.

Команда Сазерленда все еще работает над тем, чтобы показать, что два других типа нуклеотидов могут быть получены из молекулы-предшественника РНК. «Я думаю, мы чертовски близки», — сказал Сазерленд. «Но моя группа скажет вам, что я говорю это уже 22 года».

Независимо от того, представляет ли эффект СНПЧ решение, часть решения или отсутствие решения вообще, существуют очевидные следующие шаги к его тестированию. «В ней есть все аспекты хорошей гипотезы, когда вы придумываете что-то творческое, что-то осуществимое, а затем что-то, что в конечном итоге можно проверить», — сказал Атавале. По его мнению, наиболее убедительным следующим шагом было бы предоставление геологических доказательств того, что этот процесс мог происходить за пределами лаборатории.

Во время звонка через Zoom Озтюрк поднял плоский черный камень, который он подобрал во время поездки в Австралию, место, наполненное магнитными железными камнями, на которых он надеется повторить свои эксперименты. Он также хочет сделать будущие испытания этой идеи более динамичными: в первобытных озерах, где, по его мнению, образовались ранние молекулы, были потоки и потоки материала, а также естественные циклы «влажность-высыхание», вызванные дождями и высокими температурами, которые позволит кристаллам образовываться и растворяться, образовываться и растворяться.

Примечание редактора: Саселов и его группа, а также Джойс и Сазерленд получили финансирование от Фонд Симонс, который также финансирует это Редакционно независимый журнал. Решения Фонда Саймонса о финансировании не влияют на наше покрытие.