Manyetizma Hayata Moleküler Asimetriyi Vermiş Olabilir | Quanta Dergisi

1848'de Louis Pasteur, sütün nasıl sterilize edileceğini keşfetmeye henüz yıllar uzakta olan genç bir kimyagerken, endüstriyel bir kimyagerin şarabı çok uzun süre kaynatması sonucu kazara oluşan kristallerle ilgili tuhaf bir şey keşfetti. Kristallerin yarısı, şarap fıçılarının duvarlarında doğal olarak yetişen, endüstriyel açıdan yararlı bir tuz olan tartarik asit olduğu fark edildi. Diğer kristaller tamamen aynı şekle ve simetriye sahipti ancak bir yüzleri ters yöndeydi.

Aradaki fark o kadar belirgindi ki, Pasteur bir büyüteç altında kristalleri cımbızla ayırabildi. O yıl bir makalesinde şöyle yazmıştı: "Birbirleriyle olan ilişkileri, aynadaki görüntü ile gerçek nesne arasındaki ilişki gibidir" diye yazmıştı.

Pasteur bunu bilmese de, o şarabın kristalleşmiş tortuları arasında, Dünya'daki yaşamın kökeni hakkındaki en derin gizemlerden birine rastlamıştı.

Gördüğü şey, aynı atomik bileşimlere ve bu atomların uzaydaki ayna görüntüsü düzenlemelerine sahip tartarik asit moleküllerinin bir karışımıydı. Daha sonra Yunanca "el" sözcüğünden sonra "kirallik" adı verilen bir özelliğe sahiplerdi: Tıpkı sol ve sağ ellerimizin birbirinin simetrik zıtları olması gibi, tartarik asit moleküllerinin sol ve sağ elli versiyonları (veya enantiyomerleri) de farklı ve eşdeğer değildir.

Pasteur'ün gözleminin önemi kiraliteyi keşfetmenin ötesine geçiyordu; aynı zamanda onu görmesinin olağanüstü nedeni de vardı. Sentetik kristaller tartarik asit enantiyomerlerinin bir karışımıydı çünkü kaynatma işlemi sol ve sağ yönlü versiyonların eşit sayıda oluşmasına izin verdi. Ancak şarap fıçılarından elde edilen doğal kristallerde, tüm tartarik asit molekülleri sağ-elliydi; çünkü şarap için kullanılan ve canlı asmalardan toplanan üzümler yalnızca bu enantiyomeri yapıyordu.

Kiralite bildiğimiz şekliyle yaşamın bir imzasıdır. Biyokimyacılar defalarca, canlı hücrelerin kiral moleküller kullandığında yalnızca bir kiralite kullandıklarını bulmuşlardır. Örneğin DNA'yı oluşturan şekerlerin tümü sağ elini kullanır. Proteinleri oluşturan amino asitlerin hepsi solaktır. Yanlış enantiyomerler farmasötiklere girerse etkileri bazen toksik, hatta öldürücü olabilir.

Yaşam tarihinin erken dönemlerindeki bazı olaylar veya olaylar dizisi, biyokimyacıların ifadesiyle "aynayı kırmış" ve yaşamı moleküler asimetriye sürüklemiş olmalı. Bilim insanları yaşamın neden homokiral hale geldiğini ve bunun olması gerekip gerekmediğini ya da bunun tamamen tesadüf olup olmadığını tartıştılar. Kiral tercihler, uzaydan gelen moleküllerin önyargılı örnekleri tarafından erken yaşamda mı etkilenmişti, yoksa bir şekilde sağ ve sol elli eşit parçalar halinde başlayan karışımlardan mı evrimleşmişlerdi?

"Bilim insanları bu gözlem karşısında şaşkınlığa uğradılar" dedi Soumitra AthavaleLos Angeles Kaliforniya Üniversitesi'nde organik kimya alanında yardımcı doçent olan Dr. "Yıllar boyunca her türlü öneriyle geldiler, ancak jeolojik açıdan gerçekten alakalı öneriler bulmak zor." Dahası, pek çok teori bir molekül tipinin neden homokiral hale geldiğini açıklayabilirken, hiçbiri tüm biyomolekül ağlarının neden homokiral hale geldiğini açıklayamadı.

Yakın zamanda Harvard Üniversitesi'ndeki bir grup, yaşamın homokiralitesinin nasıl ortaya çıktığına dair ilgi çekici bir çözüm sunan bir dizi makale yayınladı. İlkel Dünya'daki su kütlelerindeki mineraller üzerindeki, gezegenin manyetik alanı tarafından yüklenen manyetik yüzeylerin, bazı molekül türlerini diğerlerinden daha fazla çeken "kiral ajanlar" olarak hizmet etmiş olabileceğini ve bu sayede moleküllerin kiralitesini güçlendiren bir süreci başlatmış olabileceğini öne sürüyorlar. RNA öncüllerinden proteinlere ve ötesine kadar biyolojik moleküller. Önerdikleri mekanizma, belirli moleküllerin yapısındaki eğilimin, yaşamı destekleyen geniş bir kiral kimya ağı yaratacak şekilde nasıl dışa doğru yayıldığını açıklayabilir.

Tek makul hipotez bu değil ama "en havalı hipotezlerden biri çünkü jeofiziği jeokimyaya, prebiyotik kimyaya ve son olarak da biyokimyaya bağlıyor" dedi. Gerald JoyceAraştırmada yer almayan bir biyokimyacı ve Salk Enstitüsü başkanı. Ayrıca hipotezin "gerçek deneylerle" desteklenmesinden ve "bunu gerçekçi koşullar altında yaptıklarından" da etkileniyor.

CISS Etkisi

Homokiralite hakkındaki yeni teorinin kökleri neredeyse çeyrek yüzyıl öncesine uzanıyor. Ron Naamanİsrail'deki Weizmann Bilim Enstitüsü'nden kimyasal fizik profesörü ve ekibi, kiral moleküllerin kritik bir etkisini keşfetti. Çalışmaları, elektronların iki temel özelliğe sahip olduğu gerçeğine odaklandı: Negatif bir yük taşıyorlar ve içsel saat yönünde veya saat yönünün tersine dönüşe benzer bir kuantum özelliği olan "dönme"ye sahipler. Moleküller diğer moleküller veya yüzeylerle etkileşime girdiğinde, elektronları kendilerini yeniden dağıtabilir, varış noktalarında negatif bir yük ve başlangıç ​​noktalarında pozitif bir yük oluşturarak molekülleri polarize edebilir.

Naaman ve ekibi kiral moleküllerin elektronları dönüş yönlerine göre filtrelediğini keşfetti. Bir spin yönüne sahip elektronlar, kiral bir molekül boyunca bir yönde diğerine göre daha verimli bir şekilde hareket edecektir. Ters spinli elektronlar diğer yönde daha serbestçe hareket ederler.

Bunun nedenini anlamak için, koridorun duvarına bakan bir frizbi fırlattığınızı hayal edin. Frizbi sağdaki duvara çarparsa, yalnızca saat yönünde dönüyorsa ileri sıçrayacaktır; aksi takdirde geriye doğru sıçrayacaktır. Frizbiyi sol taraftaki duvardan vurursanız tam tersi olur. Naaman, benzer şekilde kiral moleküllerin "elektronları dönme yönlerine göre dağıttığını" söyledi. Kendisi ve ekibi bu fenomeni kiral kaynaklı spin seçiciliği (CISS) etkisi olarak adlandırdı.

Bu saçılma nedeniyle, belirli bir dönüşe sahip elektronlar, kiral bir molekülün bir kutbunda toplanır (ve molekülün sağ ve sol el versiyonları, ilgili kutuplarda zıt dönüşleri toplar). Ancak spinlerin bu yeniden dağılımı, kiral moleküllerin manyetik yüzeylerle nasıl etkileşime girdiğini etkiler çünkü zıt yönlerde dönen elektronlar birbirini çeker ve aynı yönde dönen elektronlar da birbirini iter.

Sonuç olarak, kiral bir molekül manyetik bir yüzeye yaklaştığında, eğer molekül ve yüzey zıt spin öngerilimlerine sahipse, yakınlaşacaktır. Eğer dönüşleri eşleşirse birbirlerini iteceklerdir. (Diğer kimyasal etkileşimler de devam ettiğinden, molekül basitçe kendini yeniden hizalamak için dönemez.) Yani manyetik bir yüzey, tercihen bir bileşiğin yalnızca bir enantiyomeriyle etkileşime girerek kiral bir madde gibi davranabilir.

Naaman ve ekibi, 2011 yılında Almanya'daki Münster Üniversitesi'ndeki bir ekiple işbirliği içinde dönüşü ölçtü Çift sarmallı DNA boyunca hareket eden elektronların sayısı, CISS etkisinin hem gerçek hem de güçlü olduğunu doğruluyor.

Naaman, işte o zaman etki ve olası uygulamalarına ilişkin araştırmaların "patlamaya başladığını" söyledi. Örneğin kendisi ve ekibi, biyomedikallerdeki safsızlıkları gidermek veya büyük yan etkileri önlemek için yanlış enantiyomerleri ilaçlardan çıkarmak için CISS etkisini kullanmanın çeşitli yollarını geliştirdi. Ayrıca CISS etkisinin açıklamaya nasıl yardımcı olabileceğini de araştırdılar. anestezi mekanizmaları.

Ancak Harvard'da astronom tarafından yönetilen bir ekip tarafından bir hipotez üzerinde işbirliği yapmaya davet edildikten sonra, CISS etkisinin biyolojik homokiralitenin yükselişinde rol oynadığı fikri üzerinde ciddi bir şekilde çalışmaya başladılar. dimitar saselov ve onun yüksek lisans öğrencisi S. Furkan Öztürk.

Fizik Perspektifi

Son makalelerin genç baş yazarı Öztürk, homokirallik sorunuyla 2020 yılında Harvard'da fizik yüksek lisans öğrencisiyken karşılaştı. Ultra soğuk atomları kullanan kuantum simülasyonları üzerine yaptığı araştırmadan memnun olmadığından, dünyadaki en büyük 125 gizemin ayrıntılarını içeren bir bilim dergisini karıştırdı ve homokirallik hakkında bilgi sahibi oldu.

"Bu gerçekten bir fizik sorusuna benziyordu çünkü simetrilerle ilgiliydi" dedi. Öztürk, Harvard'ın Yaşamın Kökenleri Girişimi'nin direktörü olan ve homokirallik sorunuyla zaten ilgilenen Sasselov'a ulaştıktan sonra onun laboratuvarında öğrenci olmak üzere geçiş yaptı.

Öztürk ve Sasselov çok geçmeden CISS etkisine dayanan bir fikre ulaştılar. Manyetik minerallerle dolu yüzeylerin olduğu ve suyun nükleotidlerin kiral öncüllerinin bir karışımını içerdiği sığ bir göl gibi ilkel bir ortam hayal ettiler. Ultraviyole ışığın manyetik yüzeylerden çok sayıda elektron çıkarmış olabileceğini ve bu elektronların çoğunun aynı dönüşe sahip olabileceğini teorileştirdiler. Dışarı atılan elektronlar daha sonra tercihen belirli enantiyomerlerle etkileşime girmiş olabilir ve sonuçta ortaya çıkan kimyasal reaksiyonlar, tercihen sağ-elli RNA öncüllerini bir araya getirmiş olabilir.

Nisan 2022'de Öztürk, hipotezlerini test etme ihtimalinin heyecanıyla Naaman'ın İsrail'deki laboratuvarına gitti. Heyecanı kısa sürdü. Sonraki ay Naaman'la çalışırken bu fikir suya düştü. Öztürk bunun "işe yaramadığını" söyledi ve eve üzgün bir şekilde döndü.

Ama sonra Öztürk'ün aklına başka bir fikir geldi. Ya CISS etkisi kimyasal bir süreç olarak değil de fiziksel bir süreç olarak ortaya çıkıyorsa?

Naaman'ın grubu, enantiyomerleri tercihen kristalleştirmek için manyetik yüzeyleri kullanabileceklerini göstermişti. Ve kristalleştirme, saflaştırılmış enantiyomer koleksiyonlarının bir araya getirilmesinin en kolay yolu olacaktır. Öztürk bunu anlattı John SutherlandBirleşik Krallık'taki MRC Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'ndaki işbirlikçileri Sutherland, "Ben de elektronlarla ilgili her şeyi bırakıp sadece kristalleşmeye odaklanın dedim" dedi.

Sutherland, kristalleşme yönünden heyecanlanmıştı çünkü kendisi ve ekibi, bağımsız olarak, ribo-aminooksazolin (RAO) adı verilen bir RNA öncülünün, RNA'nın dört yapı bloğundan ikisini sentezleyebildiğini zaten keşfetmişlerdi. Sutherland, RAO'nun ayrıca "güzelce kristalleştiğini" söyledi. Yüzeye çekilen enantiyomerden bir kristal tohumu oluştuğunda, kristal tercihen aynı enantiyomerden daha fazlasını bünyesine katarak büyür.

Öztürk, Sutherland'in kendisine CISS etkisi fikri işe yararsa "oyun biter" dediğini hatırlıyor. Öztürk, "Çünkü çok basitti" dedi. "Bunu, yaşam kimyasının kökeni açısından o kadar merkezi olan bir molekül üzerinde yapıyordu ki, eğer o molekülü homokiral yapmayı başarırsanız, tüm sistemi de homokiral yapabilirsiniz."

Öztürk, Harvard laboratuvarında çalışmaya başladı. Manyetit yüzeyleri bir petri kabına koydu ve bunu eşit miktarda sol ve sağ yönlü RAO molekülleri içeren bir çözeltiyle doldurdu. Daha sonra kabı bir mıknatısın üzerine koydu, deneyi buzdolabına koydu ve ilk kristallerin ortaya çıkmasını bekledi. Ekip ilk başta kristallerin %60'ının tek elden oluştuğunu buldu. İşlemi tekrarladıklarında kristallerinin %100 aynı kiraliteye sahip olduğunu gördüler.

Haziran ayında yayınlanan bir çalışmada bildirdikleri gibi Bilim GelişmelerEğer yüzeyi tek yönde mıknatıslarlarsa tamamen sağ yönlü kristaller yaratmış olurlar; eğer onu diğer şekilde mıknatısladılarsa, kristaller tamamen solaktı. Öztürk, "Çok şaşırdım çünkü işe yaramayan deneylere çok aşinayım" dedi. Ama bu "bir cazibe gibi işe yaradı."

Öztürk, Sasselov ve ekibinin kutlama yemeğinde paylaştığı boş şampanya şişesini masasının arkasında saklıyor.

Çoğaltın ve Güçlendirin

Ancak yine de büyük bir sorunları vardı: Deneylerinde kullandıkları mıknatıs, Dünya'nın manyetik alanından yaklaşık 6,500 kat daha güçlüydü.

Öztürk geçen Kasım ayında Weizmann Enstitüsü'ne geri döndü ve daha sonra o ve Naaman, harici bir manyetik alanın hiç kullanılmadığı bir takip deneyi üzerinde çalıştılar. Bunun yerine, kiral moleküller manyetik yüzeylere adsorbe edildiğinde, yüzey üzerinde, Dünya'nın manyetik alanından 50 kat daha güçlü, oldukça yerel bir manyetik alan oluşturduklarını buldular. Bulguları hakemli bir dergi tarafından kabul edildi ancak henüz yayınlanmadı.

Joyce, "Mahalleyi mıknatıslanmaya zorluyorsunuz, bu da kristallerin oluşmaya devam etmesini daha da kolaylaştırıyor" dedi. Kendi kendine devam eden bu etkinin senaryoyu makul kıldığını ekledi.

Athavale de aynı fikirde. CISS etkisinin ortaya çıkması için yüksek derecede manyetik bir alana ihtiyaç duymamanız gerçeği "gerçekten güzel, çünkü artık olası bir jeolojik ortamı gördünüz" dedi.

Ancak homokirallik yaratmanın asıl anahtarı, etkileşen moleküllerden oluşan bir ağ üzerinde etkinin nasıl güçlendirilebileceğine bakmaktır. Sasselov, "Bütün bunların en önemli yönü, kiral bir ürün elde etmenin başka bir yolunu bulmayı başarmış olmamız değil," dedi, ancak grubunun bir homokiral ağ oluşturmanın yolunu bulmuş olmasıydı.

Kapağında yer alan bir makalede Kimyasal Fizik Dergisi Ağustos ayında Öztürk, Sasselov ve Sutherland kiral bilginin bir prebiyotik ağ boyunca nasıl yayılabileceğine dair bir model önerdiler. Sutherland ve grubu daha önce, amino asitleri bağlayan ve bunları protein yapmak için ribozoma getiren sağ elli transfer RNA moleküllerinin analoglarının, sol elli amino asitlere, sağ elli amino asitlerden 10 kat daha hızlı bağlandığını göstermişti. Bulgular, kiral RNA'nın doğada görüldüğü gibi tercihen zıt kiraliteye sahip proteinler ürettiğini göstermektedir. Araştırmacıların makalede yazdığı gibi: "Bu nedenle biyolojik homokirallik sorunu, tek bir ortak RNA öncülünün (örneğin, RAO) homokiral hale getirilmesinin sağlanmasına indirgenebilir."

Öztürk, çalışmanın, canlıların tercih ettiği nükleotidlerin neden sağ elini kullandığını ve amino asitlerinin neden sol elini kullandığını doğrudan açıklamadığını söyledi. Ancak bu yeni bulgular, belirleyici faktörün Dünya alanının neden olduğu mıknatıslanma olduğunu öne sürüyor. Athavale, kristalleşme süreci 100 ilkel gölde gerçekleşse bile, Dünya'nın manyetik alanının hepsinin bir karışımdan ziyade aynı el ile öncüller üretmesini sağlayacağını kaydetti.

Joyce, eğer manyetik alan bu kadar önyargılıysa "harika bir değişiklik" olacağını belirtti: Eğer yaşam kuzey yarımkürede başlamış olsaydı ve moleküller tek elle tercih edilmiş olsaydı, o zaman güney yarımkürede ortaya çıkmış olsaydı ters el ile hareket ederdi.

Athavale, kiralitenin molekül aileleri arasındaki yayılımının hala oldukça varsayımsal olduğunu, ancak insanları düşündürmenin iyi olduğunu belirtti. Sasselov da aynı fikirde. "Bu makalenin amacı insanları gidip bu deneyleri yapmaya motive etmektir" dedi.

Wentao MaÇin'deki Wuhan Üniversitesi'nden yaşamın kökenleri araştırmacısı, yeni makalelerin "ilginç bir ilerlemeye" işaret ettiğini söyledi. Ancak bunu tam bir cevap olarak görebilmesi için CISS etkisinin RNA'nın polimerizasyonuna yol açtığını görmesi gerekir. "Eğer bu sonuca ulaşabilirlerse, sanırım çözümden çok uzakta değiliz" dedi.

"CISS etkisini gerçekten seviyorum" dedi Noémie GlobusHomokirallik sorunu üzerinde çalışan bir astrofizikçi. Araştırmacılar için daha ikna edici olan şeyin, belirli bir el kullanımıyla fazla miktarda amino asit içeren (daha önce bulunmuş olan) meteorların aynı zamanda fazla miktarda manyetik parçacık içerip içermediğini kontrol etmeleri olacağını söyledi. Ayrıca farklı teorik mekanizmaların hepsinin farklı moleküllerde homokiralite yaratmış olabileceğini de belirtti.

Jeffrey BadaSan Diego'daki Kaliforniya Üniversitesi Scripps Oşinografi Enstitüsü'nden emekli profesör bu fikre şüpheyle yaklaşıyor. Kendi kendini kopyalayan ilk molekül olan RNA'nın ilkel koşullarda sentezlenmiş olabileceğine inanmıyor. "Hiç kimse RNA'yı prebiyotik bağlamda üretmedi" dedi çünkü molekülün stabilitesiyle ilgili çok fazla sorun var.

Sutherland'ın ekibi hâlâ diğer iki tip nükleotidin RNA öncü molekülünden yapılabileceğini göstermek için çalışıyor. Sutherland, "Sanırım oldukça yakınız" dedi. “Ama grubum size bunu 22 yıldır söylediğimi söyleyecektir.”

CISS etkisinin çözümü temsil etmesi, çözümün bir parçası olması veya hiçbir çözümü temsil etmemesi fark etmez, onu test etmenin sonraki adımları açıktır. Athavale, "Yaratıcı bir şey, uygulanabilir bir şey ve ardından sonuçta test edilebilecek bir şey bulacağınız güzel bir hipotezin tüm yönlerine sahip" dedi. Bir sonraki en ikna edici adımın, sürecin laboratuvar dışında gerçekleşmiş olabileceğine dair jeolojik kanıtlar göstermek olacağını düşünüyor.

Zoom görüşmesi sırasında Öztürk, üzerinde deneylerini tekrarlamayı umduğu, manyetik demir kayalarla dolu olan Avustralya gezisinde aldığı düz siyah bir kayayı havaya kaldırdı. Ayrıca bu fikrin gelecekteki testlerini daha dinamik hale getirmek istiyor: İlk moleküllerin oluştuğu ilkel göllerde madde akıntıları ve akışlarının yanı sıra yağmurlar ve yüksek sıcaklıklar tarafından yönlendirilen doğal "ıslak-kuru" döngüler de vardı. kristallerin oluşmasına ve çözünmesine, oluşmasına ve çözünmesine izin verirdi.

Editörün notu: Sasselov ve grubunun yanı sıra Joyce ve Sutherland da fon aldı. Simons Vakfı, aynı zamanda bunu finanse eden editoryal bağımsız dergi. Simons Vakfı finansman kararlarının kapsamımız üzerinde hiçbir etkisi yoktur.