Magnetizem je morda dal življenju njegovo molekularno asimetrijo | Revija Quanta

Leta 1848, ko je bil Louis Pasteur mlad kemik, ki je bil še leta oddaljen od odkritja, kako sterilizirati mleko, je odkril nekaj nenavadnega o kristalih, ki so naključno nastali, ko je industrijski kemik predolgo kuhal vino. Polovica kristalov je bila prepoznavna vinska kislina, industrijsko uporabna sol, ki je naravno rasla na stenah vinskih sodov. Drugi kristali so imeli popolnoma enako obliko in simetrijo, vendar je bila ena ploskev usmerjena v nasprotno smer.

Razlika je bila tako velika, da je Pasteur lahko s pinceto ločil kristale pod povečevalno lečo. »So med seboj to, kar je podoba, v ogledalu, glede na pravo stvar,« je tisto leto zapisal v prispevku.

Čeprav Pasteur tega ni vedel, je v kristalizirani usedlini tega vina naletel na eno najglobljih skrivnosti o izvoru življenja na Zemlji.

Kar je videl, je bila mešanica molekul vinske kisline, ki so imele enako atomsko sestavo in zrcalno razporeditev teh atomov v vesolju. Imeli so lastnost, ki se je pozneje imenovala "kiralnost" po grški besedi za "roko": tako kot sta naša leva in desna roka simetrično nasprotni, sta levo in desnosučna različica (ali enantiomeri) molekul vinske kisline različni in neenakovredni.

Pomen Pasteurjevega opazovanja je presegel odkritje kiralnosti - obstajal je tudi izjemen razlog, da jo je videl. Sintetični kristali so bili mešanica enantiomerov vinske kisline, ker je postopek vrenja omogočil nastanek levih in desnih različic v enakem številu. Toda v naravnih kristalih iz vinskih sodov so bile vse molekule vinske kisline desnosučne - ker je grozdje, uporabljeno za vino, obrano z živih trt, ustvarilo samo ta enantiomer.

Kiralnost je znak življenja, kot ga poznamo. Znova in znova so biokemiki ugotovili, da ko žive celice uporabljajo kiralne molekule, uporabljajo izključno eno kiralnost. Sladkorji, ki sestavljajo DNK, so na primer vsi desnosučni. Vse aminokisline, ki sestavljajo beljakovine, so levosučne. Če napačni enantiomeri zdrsnejo v farmacevtske izdelke, so lahko učinki včasih strupeni ali celo smrtni.

Neki dogodek ali niz dogodkov na začetku zgodovine življenja je moral »razbiti ogledalo«, kot so rekli biokemiki, in vrgel življenje v molekularno asimetrijo. Znanstveniki so razpravljali o tem, zakaj je življenje postalo homokiralno in ali se je moralo zgoditi ali je šlo zgolj po naključju. Ali so na kiralne preference v zgodnjem življenju vplivali pristranski vzorci molekul, ki so prispeli iz vesolja, ali pa so se nekako razvile iz mešanic, ki so se začele kot enaki deli desničarjev in levičarjev?

"Ta ugotovitev je znanstvenike zmedla," je dejal Soumitra Athavale, docent organske kemije na Kalifornijski univerzi v Los Angelesu. "V preteklih letih so prišli do najrazličnejših predlogov, vendar je težko priti do predlogov, ki so dejansko geološko pomembni." Poleg tega, čeprav bi številne teorije lahko pojasnile, zakaj je ena vrsta molekule morda postala homokiralna, nobena od njih ni pojasnila, zakaj so cele mreže biomolekul.

Pred kratkim je skupina na univerzi Harvard objavila vrsto člankov, ki predstavljajo zanimivo rešitev za to, kako se je pojavila homokiralnost življenja. Predlagajo, da bi lahko magnetne površine na mineralih v vodnih telesih na prvobitni Zemlji, ki jih naelektri magnetno polje planeta, služile kot »kiralni dejavniki«, ki so nekatere oblike molekul pritegnili bolj kot druge, s čimer so sprožili proces, ki je okrepil kiralnost molekul. bioloških molekul, od prekurzorjev RNK pa vse do proteinov in naprej. Njihov predlagani mehanizem bi pojasnil, kako bi se lahko pristranskost v sestavi določenih molekul kaskadno razširila navzven, da bi ustvarila obsežno mrežo kiralne kemije, ki podpira življenje.

To ni edina verjetna hipoteza, ampak "je ena najbolj kul, ker povezuje geofiziko z geokemijo, s prebiotično kemijo [in] končno z biokemijo," je dejal Gerald Joyce, biokemik in predsednik inštituta Salk, ki ni bil vključen v študijo. Navdušen je tudi nad tem, da je hipoteza podprta z "dejanskimi poskusi" in da "to počnejo v realnih pogojih."

Učinek CISS

Korenine nove teorije o homokiralnosti segajo skoraj četrt stoletja v preteklost Ron Naaman, profesor kemijske fizike na Weizmannovem inštitutu za znanost v Izraelu, in njegova ekipa sta odkrila kritičen učinek kiralnih molekul. Njihovo delo je bilo osredotočeno na dejstvo, da imajo elektroni dve ključni lastnosti: nosijo negativen naboj in imajo "spin", kvantno lastnost, ki je podobna notranjemu vrtenju v smeri urnega kazalca ali nasprotni smeri urnega kazalca. Ko molekule medsebojno delujejo z drugimi molekulami ali površinami, se lahko njihovi elektroni prerazporedijo in polarizirajo molekule z ustvarjanjem negativnega naboja na njihovem cilju in pozitivnega naboja na njihovi začetni točki.

Naaman in njegova ekipa so odkrili, da kiralne molekule filtrirajo elektrone glede na smer njihovega vrtenja. Elektroni z eno usmerjenostjo spina se bodo učinkoviteje premikali po kiralni molekuli v eno smer kot v drugo. Elektroni z nasprotnim spinom se svobodneje gibljejo v drugo smer.

Da bi razumeli, zakaj, si predstavljajte, da vržete frizbi, ki gleda s stene hodnika. Če frizbi zadene desno steno, se bo odbil naprej le, če se bo vrtel v smeri urinega kazalca; drugače se bo odbilo nazaj. Nasprotno se bo zgodilo, če s frizbijem udariš ob levi zid. Podobno kiralne molekule "razpršijo elektrone glede na njihovo smer vrtenja," je dejal Naaman. On in njegova ekipa sta ta pojav poimenovala učinek kiralne selektivnosti vrtenja (CISS).

Zaradi tega sipanja se elektroni z danim spinom na koncu združijo na enem polu kiralne molekule (desnoročne in levičarske različice molekule pa zberejo nasprotne spine na svojih polih). Toda ta prerazporeditev vrtljajev vpliva na interakcijo kiralnih molekul z magnetnimi površinami, ker elektroni, ki se vrtijo v nasprotnih smereh, privlačijo drug drugega, tisti, ki se vrtijo v isto smer, pa se odbijajo.

Posledično, ko se kiralna molekula približa magnetni površini, se bo približala, če imata molekula in površina nasprotni predsodki. Če se njuni vrtljaji ujemata, se bosta odbijala. (Ker potekajo tudi druge kemijske interakcije, se molekula ne more preprosto obrniti, da bi se znova poravnala.) Tako lahko magnetna površina deluje kot kiralno sredstvo, prednostno pa sodeluje samo z enim enantiomerom spojine.

Leta 2011 sta Naaman in njegova ekipa v sodelovanju z ekipo Univerze v Münstru v Nemčiji izmeril vrtenje elektronov, ko so se premikali skozi dvoverižno DNK, kar potrjuje, da je učinek CISS resničen in močan.

Takrat so raziskave učinka in njegovih možnih aplikacij "začele cveteti", je dejal Naaman. On in njegova ekipa sta na primer razvila več načinov za uporabo učinka CISS za odstranjevanje nečistoč iz biomedicin ali za izključitev napačnih enantiomerov iz zdravil za preprečevanje večjih stranskih učinkov. Raziskali so tudi, kako lahko učinek CISS pomaga razložiti mehanizmi anestezije.

Toda začeli so se resno ukvarjati z idejo, da učinek CISS igra vlogo pri porastu biološke homokiralnosti, potem ko jih je k sodelovanju pri hipotezi povabila ekipa s Harvarda, ki jo je vodil astronom Dimitar Saselov in njegov podiplomski študent S. Furkan Ozturk.

Fizikalna perspektiva

Ozturk, mladi vodilni avtor nedavnih člankov, je naletel na problem homokiralnosti leta 2020, ko je bil podiplomski študent fizike na Harvardu. Nezadovoljen s svojim raziskovanjem kvantnih simulacij z uporabo ultrahladnih atomov, je prelistal znanstveno revijo s podrobnostmi o 125 največjih skrivnostih na svetu in izvedel za homokiralnost.

»V resnici je bilo videti kot vprašanje iz fizike, ker gre za simetrije,« je dejal. Potem ko je prišel do Sasselova, ki je direktor Harvardove pobude Origins of Life in ki ga je že zanimalo vprašanje homokiralnosti, je Ozturk prestopil in postal študent v njegovem laboratoriju.

Ozturk in Sasselov sta kmalu naletela na idejo, ki temelji na učinku CISS. Predstavljali so si prvotno okolje kot plitvo jezero, kjer so bile površine polne magnetnih mineralov, voda pa je vsebovala mešanico kiralnih predhodnikov nukleotidov. Teoretizirali so, da bi ultravijolična svetloba lahko izvrgla veliko elektronov z magnetnih površin in mnogi od teh elektronov bi imeli enak spin. Izbiti elektroni so lahko nato prednostno sodelovali s specifičnimi enantiomeri, nastale kemične reakcije pa so lahko nato prednostno sestavile desnosučne prekurzorje RNA.

Aprila 2022 je Ozturk odpotoval v Naamanov laboratorij v Izraelu, navdušen nad možnostjo testiranja njihove hipoteze. Njegovo navdušenje je bilo kratkotrajno. V naslednjem mesecu, ko je delal z Naamanom, je ideja propadla. "Ni delovalo," je dejal Ozturk, zato se je potrt vrnil domov.

Potem pa je Ozturk dobil še eno idejo. Kaj pa, če se učinek CISS ne kaže kot kemični proces, temveč kot fizični?

Naamanova skupina je pokazala, da bi lahko uporabili magnetne površine za prednostno kristalizacijo enantiomerov. In kristalizacija bi bila najlažji način za sestavljanje prečiščenih zbirk enantiomerov. Ozturk je to omenil John Sutherland, njihov sodelavec v Laboratoriju za molekularno biologijo MRC v Združenem kraljestvu. »In rekel sem, opustite vse, kar je povezano z elektroni, in se osredotočite samo na kristalizacijo,« je dejal Sutherland.

Sutherland je bil navdušen nad vidikom kristalizacije, ker sta on in njegova ekipa že neodvisno odkrila, da lahko prekurzor RNK, imenovan ribo-aminooksazolin (RAO), sintetizira dva od štirih gradnikov RNK. RAO tudi "lepo kristalizira," je dejal Sutherland. Ko se kristalno seme oblikuje iz enantiomera, ki ga pritegne površina, kristal prednostno raste z vključitvijo več istega enantiomera.

Ozturk se spominja, da mu je Sutherland povedal, da bi bilo "igre konec", če bi ideja o efektu CISS delovala. "Ker je bilo tako preprosto," je dejal Ozturk. "To je počel na molekuli, ki je bila tako osrednja za izvor življenjske kemije, da če vam uspe narediti to molekulo homokiralno, lahko celoten sistem naredite homokiralno."

Ozturk se je lotil dela v laboratoriju na Harvardu. Površine magnetita je položil na petrijevko in jo napolnil z raztopino, ki je vsebovala enake količine levosučnih in desnosučnih molekul RAO. Nato je posodo postavil na magnet, poskus postavil v hladilnik in počakal, da so se pojavili prvi kristalčki. Sprva je ekipa ugotovila, da je bilo 60 % kristalov enoročnih. Ko so postopek ponovili, so bili njihovi kristali 100 % iste kiralnosti.

Kot poročajo v študiji, objavljeni junija v Znanost Predplačila, če so enosmerno magnetizirali površino, so ustvarili čisto desnosučne kristale; če so ga magnetizirali drugače, so bili kristali čisto levi. "Bil sem zelo presenečen, saj sem super seznanjen z eksperimenti, ki ne delujejo," je dejal Ozturk. Toda ta je "deloval kot čar."

Ozturk za svojo mizo hrani prazno steklenico šampanjca, ki so si jo Sasselov in ekipa delili na slavnostni večerji.

Pomnoži in povečaj

Toda še vedno so imeli velik problem: magnet, ki so ga uporabili v svojem poskusu, je bil približno 6,500-krat močnejši od Zemljinega magnetnega polja.

Tako se je Ozturk lani novembra vrnil na Weizmannov inštitut in on in Naaman sta nato delala na nadaljnjem eksperimentu, v katerem sploh nista uporabila zunanjega magnetnega polja. Namesto tega so ugotovili, da ko so bile kiralne molekule adsorbirane na magnetne površine, so ustvarile visoko lokalno magnetno polje na površini, ki je bilo do 50-krat močnejše od zemeljskega magnetnega polja. Njihove ugotovitve je sprejela strokovno recenzirana revija, vendar še niso bile objavljene.

"Sosesko prisilite, da se namagneti, kar še olajša nastajanje kristalov," je dejal Joyce. Ta samoponavljajoči učinek naredi scenarij verjeten, je dodal.

Athavale se strinja. Dejstvo, da za učinek CISS ne potrebujete močnega magnetnega polja, je "res lepo, saj ste zdaj videli možno geološko okolje," je dejal.

Toda resnični ključ do ustvarjanja homokiralnosti je pogledati, kako bi lahko bil učinek ojačan v mreži medsebojno delujočih molekul. "Najpomembnejši vidik vsega tega ni, da nam je uspelo najti še en način za pridobivanje kiralnega izdelka," je dejal Sasselov, ampak da je njegova skupina našla pot do ustvarjanja homokiralne mreže.

V časopisu, objavljenem na naslovnici Revija za kemijsko fiziko avgusta so Ozturk, Sasselov in Sutherland predlagali model, kako se lahko kiralne informacije širijo po prebiotičnem omrežju. Sutherland in njegova skupina sta že prej pokazala, da se analogi desnosučnih molekul prenosne RNA - ki vežejo aminokisline in jih pripeljejo do ribosoma, da tvorijo beljakovine - povežejo z levosučnimi aminokislinami 10-krat hitreje kot z desnosučnimi. Ugotovitev kaže, da kiralna RNA prednostno tvori proteine ​​nasprotne kiralnosti, kot je to vidno v naravi. Kot so raziskovalci zapisali v prispevku: "Zato se lahko problem biološke homokiralnosti zmanjša na zagotovitev, da lahko en sam skupni prekurzor RNA (npr. RAO) postane homokiralen."

Študija ni neposredno pojasnila, zakaj so v življenju najprimernejši nukleotidi desničarji, njegove aminokisline pa levičarji, je dejal Ozturk. Toda te nove ugotovitve kažejo, da je bil odločilni dejavnik magnetizacija, ki jo je povzročilo zemeljsko polje. Athavale je opozoril, da tudi če bi se proces kristalizacije zgodil v 100 prvobitnih jezerih, bi zemeljsko magnetno polje zagotovilo, da bi vsi proizvedli predhodnike z enako ročnostjo in ne mešanico.

Joyce je opazil, da je prišlo do "majhnega kul zasuka", če je magnetno polje povzročilo tako pristranskost: če se je življenje začelo na severni polobli in je bilo naklonjeno molekulam z eno roko, potem bi pokazalo nasprotno rokovanje, če bi se pojavilo na južni polobli.

Širjenje kiralnosti med družinami molekul je še vedno zelo hipotetično, je opozoril Athavale, čeprav je dobro, da ljudi spodbudimo k razmišljanju. Sasselov se strinja. "Ideja tega dokumenta je motivirati ljudi, da gredo in izvajajo te poskuse," je dejal.

Wentao Ma, raziskovalec izvora življenja na univerzi Wuhan na Kitajskem, je dejal, da novi dokumenti označujejo "zanimiv napredek". Vendar bi moral videti, da učinek CISS vodi do polimerizacije RNK, da bi to videl kot popoln odgovor. "Če lahko dosežejo ta rezultat, mislim, da nismo daleč od ... rešitve," je dejal.

»Zelo mi je všeč učinek CISS,« je rekel Noémie Globus, astrofizik, ki se ukvarja s problemom homokiralnosti. Kar bi bilo bolj prepričljivo, je dejala, bi bilo, če bi raziskovalci preverili, ali meteoriti, ki vsebujejo presežek aminokislin s posebno roko (ki so jih našli že prej), vsebujejo tudi presežne magnetne delce. Opozorila je tudi, da bi lahko vsi različni teoretizirani mehanizmi ustvarjali homokiralnost v različnih molekulah.

Jeffrey Bada, zaslužni profesor na inštitutu za oceanografijo Scripps na kalifornijski univerzi v San Diegu, je skeptičen do ideje. Ne verjame, da bi lahko bila RNK sintetizirana v prvotnih pogojih kot prva samopodvajajoča se molekula. "Nihče ni naredil RNK v prebiotičnem kontekstu," je dejal, ker je preveč težav s stabilnostjo molekule.

Sutherlandova ekipa še vedno dela, da bi pokazala, da je mogoče drugi dve vrsti nukleotidov izdelati iz molekule prekurzorja RNK. "Mislim, da smo prekleto blizu," je dejal Sutherland. "Toda moja skupina vam bo povedala, da to govorim že 22 let."

Ne glede na to, ali učinek CISS predstavlja rešitev, del rešitve ali sploh ni rešitve, obstajajo očitni naslednji koraki za njegovo testiranje. "Ima vse vidike lepe hipoteze, kjer se domislite nečesa ustvarjalnega, nečesa, kar je izvedljivo, in nato nečesa, kar je na koncu mogoče preizkusiti," je dejal Athavale. Najbolj prepričljiv naslednji korak bi bil po njegovem mnenju pokazati geološke dokaze, da bi se proces lahko zgodil zunaj laboratorija.

Med klicem Zooma je Ozturk dvignil ravno črno skalo, ki jo je pobral na potovanju v Avstralijo, kraj, poln magnetnih železnih kamnov, na katerih upa, da bo ponovil svoje poskuse. Prav tako želi narediti prihodnje preizkuse ideje bolj dinamične: prvobitna jezera, kjer meni, da so nastale zgodnje molekule, so imela potoke in tokove materiala, pa tudi naravne "mokro-suhe" cikle, ki so jih poganjali deževje in visoke temperature, bi omogočil kristalom, da se oblikujejo in raztopijo, oblikujejo in raztopijo.

Opomba urednika: Sasselov in njegova skupina ter Joyce in Sutherland so prejeli sredstva od Simonsova fundacija, ki to tudi financira uredniško neodvisna revija. Odločitve o financiranju fundacije Simons nimajo vpliva na našo pokritost.