Magnetism kan ha gett livet dess molekylära asymmetri | Quanta Magazine

1848, när Louis Pasteur var en ung kemist som fortfarande var många år borta från att upptäcka hur man steriliserar mjölk, upptäckte han något märkligt med kristaller som av misstag bildades när en industriell kemist kokade vin för länge. Hälften av kristallerna var igenkännbar vinsyra, ett industriellt användbart salt som växte naturligt på väggarna av vinfat. De andra kristallerna hade exakt samma form och symmetri, men ena sidan var orienterad i motsatt riktning.

Skillnaden var så stor att Pasteur kunde separera kristallerna under en förstoringslins med en pincett. "De är i förhållande till varandra vad en bild är, i en spegel, i förhållande till den verkliga varan", skrev han i en tidning samma år.

Även om Pasteur inte visste det, hade han i vinets kristalliserade skräp snubblat över ett av de djupaste mysterierna om livets ursprung på jorden.

Det han såg var en blandning av vinsyramolekyler som hade identiska atomsammansättningar och spegelbildsarrangemang av dessa atomer i rymden. De hade egenskapen som senare kallades "kiralitet" efter det grekiska ordet för "hand": Precis som våra vänstra och högra händer är symmetriska motsatser till varandra, är de vänster- och högerhänta versionerna (eller enantiomererna) av vinsyramolekylerna distinkt och icke likvärdig.

Betydelsen av Pasteurs observation gick utöver upptäckten av chiralitet - det fanns också den anmärkningsvärda anledningen till att han såg det. De syntetiska kristallerna var en blandning av vinsyraenantiomererna eftersom kokningsprocessen gjorde det möjligt för vänster- och högerhänta versioner att bildas i lika antal. Men i de naturliga kristallerna från vinfat var alla vinsyramolekyler högerhänta - eftersom druvorna som användes för vinet, plockade från levande vinstockar, bara gjorde den enantiomeren.

Kiralitet är en signatur för livet som vi känner det. Om och om igen har biokemister funnit att när levande celler använder kirala molekyler använder de enbart en kiralitet. De sockerarter som till exempel består av DNA är alla högerhänta. Aminosyrorna som utgör proteiner är alla vänsterhänta. Om fel enantiomerer glider in i läkemedel kan effekterna ibland vara toxiska eller till och med dödliga.

Någon händelse eller serie av händelser tidigt i livets historia måste ha "knäckt spegeln", som biokemister uttryckte det, och kastat liv i molekylär asymmetri. Forskare har diskuterat varför livet blev homokiralt, och om det behövde hända eller om det var en ren slump. Var kirala preferenser imponerade på det tidiga livet av partiska prover av molekyler som anlände från rymden, eller utvecklades de på något sätt ur blandningar som började som lika delar höger- och vänsterhänta?

"Forskare har blivit mystifierade av denna observation," sa Soumitra Athavale, en biträdande professor i organisk kemi vid University of California, Los Angeles. "De har kommit med alla möjliga förslag genom åren, men det är svårt att komma med förslag som faktiskt är relevanta geologiskt." Dessutom, medan många teorier kunde förklara varför en typ av molekyl kan ha blivit homokiral, förklarade ingen av dem varför hela nätverk av biomolekyler gjorde det.

Nyligen publicerade en grupp vid Harvard University en serie artiklar som presenterar en spännande lösning för hur livets homokiralitet uppstod. De antyder att magnetiska ytor på mineraler i vattenmassor på den ursprungliga jorden, laddade av planetens magnetfält, kunde ha fungerat som "kirala medel" som attraherade vissa former av molekyler mer än andra, vilket satte igång en process som förstärkte kiraliteten hos biologiska molekyler, från RNA-prekursorer hela vägen till proteiner och vidare. Deras föreslagna mekanism skulle förklara hur en snedvridning i sammansättningen av vissa molekyler kunde ha kaskad utåt för att skapa ett stort nätverk av kiral kemi som stöder liv.

Det är inte den enda rimliga hypotesen, men "det är en av de coolaste eftersom det knyter geofysik till geokemi, till prebiotisk kemi, [och] slutligen till biokemi," sa Gerald Joyce, en biokemist och ordförande för Salk Institute som inte var involverad i studien. Han är också imponerad av att hypotesen stöds av "faktiska experiment" och att "de gör detta under realistiska förhållanden."

CISS-effekten

Rötterna till den nya teorin om homokiralitet sträcker sig tillbaka nästan ett kvartssekel till när Ron Naaman, en professor i kemisk fysik vid Weizmann Institute of Science i Israel, och hans team upptäckte en kritisk effekt av kirala molekyler. Deras arbete fokuserade på det faktum att elektroner har två nyckelegenskaper: De har en negativ laddning och de har "spin", en kvantegenskap som är analog med inneboende rotation medurs eller moturs. När molekyler interagerar med andra molekyler eller ytor kan deras elektroner omfördela sig själva, polarisera molekylerna genom att skapa en negativ laddning vid deras destination och en positiv laddning vid deras startpunkt.

Naaman och hans team upptäckte att kirala molekyler filtrerar elektroner baserat på riktningen av deras spin. Elektroner med en rotationsorientering kommer att röra sig mer effektivt över en kiral molekyl i en riktning än den andra. Elektroner med motsatt spin rör sig mer fritt åt andra hållet.

För att förstå varför, tänk dig att kasta en frisbee som tittar från väggen i en korridor. Om frisbeen träffar den högra väggen kommer den bara att studsa framåt om den roterar medurs; annars kommer den att studsa bakåt. Motsatsen kommer att hända om du slår frisbeen från den vänstra väggen. På liknande sätt sprider kirala molekyler elektronerna enligt deras rotationsriktning, sa Naaman. Han och hans team döpte detta fenomen till den chiral-inducerade spinselektivitetseffekten (CISS).

På grund av denna spridning slutar elektroner med ett givet spinn att aggregeras vid en pol av en kiral molekyl (och de högerhänta och vänsterhänta versionerna av molekylen samlar motsatta spinn vid sina respektive poler). Men den omfördelningen av spinn påverkar hur de kirala molekylerna interagerar med magnetiska ytor eftersom elektroner som snurrar i motsatta riktningar attraherar varandra, och de som snurrar i samma riktning stöter bort varandra.

Följaktligen, när en kiral molekyl närmar sig en magnetisk yta, kommer den att dras närmare om molekylen och ytan har motsatta spin-biaser. Om deras snurr matchar kommer de att stöta bort varandra. (Eftersom andra kemiska interaktioner också pågår, kan molekylen inte bara vända för att justera sig själv.) Så en magnetisk yta kan fungera som ett kiralt medel, företrädesvis interagera med endast en enantiomer av en förening.

2011, i samarbete med ett team vid universitetet i Münster i Tyskland, Naaman och hans team mätte snurran av elektroner när de rörde sig genom dubbelsträngat DNA, vilket bekräftar att CISS-effekten är både verklig och stark.

Det var då forskningen om effekten och dess möjliga tillämpningar "började blomstra", sa Naaman. Han och hans team utvecklade till exempel flera sätt att använda CISS-effekten för att ta bort orenheter från biomediciner, eller för att utesluta fel enantiomerer från läkemedel för att förhindra stora biverkningar. De har också undersökt hur CISS-effekten kan hjälpa till att förklara mekanismer för anestesi.

Men de började arbeta på allvar med tanken att CISS-effekten spelar en roll i framväxten av biologisk homokiralitet efter att de blev inbjudna att samarbeta om en hypotes av ett team vid Harvard ledd av astronomen Dimitar Sasselov och hans doktorand S. Furkan Ozturk.

Ett fysikperspektiv

Ozturk, den unga huvudförfattaren på de senaste tidningarna, stötte på homokiralitetsproblemet 2020 när han studerade fysik vid Harvard. Han var missnöjd med sin forskning om kvantsimuleringar med ultrakalla atomer och bläddrade igenom en vetenskaplig tidskrift som beskriver 125 av de största mysterierna i världen och lärde sig om homokiralitet.

"Det såg verkligen ut som en fysikfråga eftersom det handlar om symmetrier," sa han. Efter att ha nått ut till Sasselov, som är chef för Harvards Origins of Life Initiative och som redan var intresserad av frågan om homokiralitet, bytte Ozturk över till att bli student i sitt labb.

Ozturk och Sasselov fick snart en idé baserad på CISS-effekten. De föreställde sig en urmiljö som en grund sjö där det fanns ytor fulla av magnetiska mineraler och vattnet innehöll en blandning av kirala prekursorer till nukleotider. De teoretiserade att ultraviolett ljus kunde ha stött ut många elektroner från de magnetiska ytorna, och många av dessa elektroner skulle ha haft samma spinn. De utstötta elektronerna kan då ha interagerat företrädesvis med specifika enantiomerer, och de resulterande kemiska reaktionerna kan då företrädesvis ha sammansatt högerhänta RNA-prekursorer.

I april 2022 reste Ozturk till Naamans labb i Israel, förtjust över möjligheten att testa deras hypotes. Hans upphetsning var kortvarig. Under den följande månaden när han arbetade med Naaman föll idén sönder. Det "fungerade inte", sa Ozturk, och så han återvände hem, uppgiven.

Men så fick Ozturk en annan idé. Tänk om CISS-effekten inte manifesterades som en kemisk process utan som en fysisk?

Naamans grupp hade visat att de kunde använda magnetiska ytor för att företrädesvis kristallisera enantiomerer. Och kristallisering skulle vara det enklaste sättet för renade samlingar av enantiomerer att montera. Ozturk nämnde det för John Sutherland, deras samarbetspartner vid MRC Laboratory of Molecular Biology i Storbritannien "Och jag sa, släpp allt som har med elektroner att göra och fokusera bara på kristalliseringen," sa Sutherland.

Sutherland var upphetsad av kristalliseringsaspekten eftersom han och hans team redan oberoende upptäckt att en RNA-prekursor som kallas ribo-aminooxazolin (RAO) kan syntetisera två av de fyra byggstenarna i RNA. RAO "kristalliserar också vackert", sa Sutherland. När ett kristallfrö bildas från enantiomeren som attraheras till ytan, växer kristallen företrädesvis genom att införliva mer av samma enantiomer.

Ozturk minns att Sutherland sa till honom att det skulle vara "game over" om idén med CISS-effekten fungerade. "För att det var så enkelt," sa Ozturk. "Det gjordes på en molekyl som var så central för livskemins ursprung att om du lyckas göra den molekylen homokiral kan du göra hela systemet homokiralt."

Ozturk fick jobba i Harvard-labbet. Han satte magnetitytor på en petriskål och fyllde den med en lösning som innehöll lika stora mängder vänsterhänta och högerhänta RAO-molekyler. Han satte sedan skålen på en magnet, satte experimentet i kylen och väntade på att de första kristallerna skulle dyka upp. Till en början fann teamet att 60 % av kristallerna var ensam. När de upprepade processen var deras kristaller 100% av samma kiralitet.

Som de rapporterade i en studie publicerad i juni i Vetenskap Förskott, om de magnetiserade ytan på ett sätt, skapade de kristaller som var rent högerhänta; om de magnetiserade det åt andra hållet var kristallerna rent vänsterhänta. "Jag blev mycket förvånad, eftersom jag är superbekant med experiment som inte fungerar," sa Ozturk. Men den här "fungerade som en charm."

Bakom sitt skrivbord förvarar Ozturk den tomma flaskan champagne som Sasselov och teamet delade på vid en högtidlig middag.

Multiplicera och förstärka

Men de hade fortfarande ett stort problem: magneten de använde i sitt experiment var cirka 6,500 XNUMX gånger starkare än jordens magnetfält.

Så Ozturk återvände till Weizmann-institutet i november förra året, och han och Naaman arbetade sedan på ett uppföljande experiment där de inte alls använde ett externt magnetfält. Istället fann de att när de kirala molekylerna adsorberades på de magnetiska ytorna skapade de ett mycket lokalt magnetfält över ytan som var upp till 50 gånger så starkt som jordens magnetfält. Deras resultat har accepterats av en peer-reviewed tidskrift men ännu inte publicerats.

"Du tvingar grannskapet att magnetiseras, vilket gör det ännu lättare för kristallerna att fortsätta bildas," sa Joyce. Den självförevigande effekten gör scenariot rimligt, tillade han.

Athavale håller med. Det faktum att du inte behöver ett mycket magnetiskt fält för att CISS-effekten ska uppstå är "riktigt trevligt, för nu har du sett en möjlig geologisk miljö", sa han.

Men den verkliga nyckeln till att skapa homokiralitet är att titta på hur effekten kunde ha förstärkts över ett nätverk av interagerande molekyler. "Den viktigaste aspekten av allt detta är inte att vi lyckades hitta ännu ett sätt att få en kiral produkt," sa Sasselov, utan att hans grupp hade hittat en väg till att skapa ett homokiralt nätverk.

I ett papper som finns på omslaget till Journal of Chemical Physics i augusti föreslog Ozturk, Sasselov och Sutherland en modell för hur kiral information kan spridas över ett prebiotiskt nätverk. Sutherland och hans grupp hade tidigare visat att analoger av högerhänta överför RNA-molekyler - som binder aminosyror och för dem till ribosomen för att göra proteiner - länkar till vänsterhänta aminosyror 10 gånger snabbare än till högerhänta. Fyndet tyder på att kiralt RNA företrädesvis gör proteiner med motsatt kiralitet, som man ser i naturen. Som forskarna skrev i tidningen: "Därför kan problemet med biologisk homokiralitet reduceras till att säkerställa att en enda gemensam RNA-prekursor (t.ex. RAO) kan göras homokiral."

Studien förklarade inte direkt varför livets föredragna nukleotider är högerhänta och dess aminosyror är vänsterhänta, sa Ozturk. Men dessa nya fynd tyder på att den avgörande faktorn var magnetiseringen som inducerades av jordens fält. Athavale noterade att även om kristalliseringsprocessen ägde rum i 100 ursjöar, skulle jordens magnetfält säkerställa att de alla producerade prekursorer med samma handenhet snarare än en blandning.

Joyce noterade att det finns en "cool liten twist" om magnetfältet gav en sådan förspänning: Om livet började på norra halvklotet och gynnade molekyler med en hand, då skulle det ha visat motsatt hand om det hade uppstått på det södra halvklotet.

Utbredningen av kiralitet mellan familjer av molekyler är fortfarande mycket hypotetisk, noterade Athavale, även om det är bra att få folk att tänka. Sasselov håller med. "Tanken med det här dokumentet är att motivera människor att gå och göra dessa experiment," sa han.

Wentao Ma, en forskare om livets ursprung vid Wuhan University i Kina, sa att de nya artiklarna markerar "intressanta framsteg." Men han skulle behöva se CISS-effekten leda till polymerisation av RNA för att se det som ett komplett svar. "Om de kan uppnå detta resultat tror jag att vi inte är långt ifrån ... lösningen," sa han.

"Jag gillar verkligen CISS-effekten," sa Noémie Globus, en astrofysiker som arbetar med homokiralitetsproblemet. Vad som skulle vara mer övertygande, sa hon, skulle vara för forskarna att kontrollera om meteoriter som innehåller ett överskott av aminosyror med en viss handenhet (som har hittats tidigare) också innehåller överskott av magnetiska partiklar. Hon noterade också att olika teoretiserade mekanismer alla kunde ha skapat homokiralitet i olika molekyler.

Jeffrey Bada, en emeritusprofessor vid Scripps Institution of Oceanography vid University of California, San Diego, är skeptisk till idén. Han tror inte att RNA kunde ha syntetiserats under primordiala förhållanden som den första självreplikerande molekylen. "Ingen har gjort RNA i ett prebiotiskt sammanhang," sa han, eftersom det finns för många problem med molekylens stabilitet.

Sutherlands team arbetar fortfarande med att visa att de andra två typerna av nukleotider kan göras från RNA-prekursormolekylen. "Jag tror att vi är ganska nära," sa Sutherland. "Men min grupp kommer att berätta att jag har sagt det i 22 år."

Oavsett om CISS-effekten representerar lösningen, en del av lösningen eller ingen lösning alls, finns det uppenbara nästa steg för att testa den. "Den har alla aspekter av en trevlig hypotes där du kommer på något kreativt, något som är genomförbart och sedan något som i slutändan kan testas," sa Athavale. Det mest övertygande nästa steget, tror han, skulle vara att visa geologiska bevis för att processen kunde ha hänt utanför labbet.

Under ett Zoom-samtal höll Ozturk upp en platt svart sten som han hade plockat upp på en resa till Australien, en plats fylld med magnetiska järnstenar som han hoppas kunna replikera sina experiment på. Han vill också göra framtida tester av idén mer dynamiska: Ursjöarna där han tror att de tidiga molekylerna som bildades skulle ha haft strömmar och flöden av material, såväl som naturliga "våt-torra" cykler drivna av regn och höga temperaturer, som skulle tillåta kristaller att bildas och lösas upp, bildas och lösas upp.

Redaktörens anteckning: Sasselov och hans grupp, såväl som Joyce och Sutherland, har fått finansiering från Simons Foundation, som också finansierar detta redaktionellt oberoende tidning. Simons Foundations finansieringsbeslut har inget inflytande på vår täckning.