Từ tính có thể mang lại sự sống Sự bất đối xứng phân tử | Tạp chí Quanta

Năm 1848, khi Louis Pasteur còn là một nhà hóa học trẻ vẫn còn nhiều năm nữa mới khám phá ra cách khử trùng sữa, ông đã phát hiện ra điều kỳ lạ về các tinh thể vô tình hình thành khi một nhà hóa học công nghiệp đun sôi rượu quá lâu. Một nửa số tinh thể có thể nhận biết là axit tartaric, một loại muối hữu ích trong công nghiệp mọc tự nhiên trên thành thùng rượu. Các tinh thể khác có hình dạng và tính đối xứng giống hệt nhau, nhưng một mặt được định hướng theo hướng ngược lại.

Sự khác biệt rõ ràng đến mức Pasteur có thể tách các tinh thể dưới kính lúp bằng nhíp. Ông viết trong một bài báo năm đó: “Chúng có mối quan hệ với nhau như hình ảnh, trong gương, trong mối quan hệ với vật thật”.

Dù Pasteur không biết nhưng trong cặn kết tinh của loại rượu đó, ông đã tình cờ phát hiện ra một trong những bí ẩn sâu sắc nhất về nguồn gốc sự sống trên Trái đất.

Những gì anh ấy đang nhìn thấy là một hỗn hợp các phân tử axit tartaric có thành phần nguyên tử giống hệt nhau và sự sắp xếp hình ảnh phản chiếu của các nguyên tử đó trong không gian. Sau này chúng có đặc tính được gọi là “chirality” theo từ “bàn tay” trong tiếng Hy Lạp: Cũng giống như tay trái và tay phải của chúng ta đối xứng đối xứng với nhau, các phiên bản thuận tay trái và tay phải (hoặc chất đối lập) của các phân tử axit tartaric là riêng biệt và không tương đương.

Tầm quan trọng của quan sát của Pasteur vượt xa việc phát hiện ra chirality - còn có lý do đáng chú ý khiến ông nhìn thấy nó. Các tinh thể tổng hợp là hỗn hợp của các chất đồng phân đối ảnh axit tartaric vì quá trình đun sôi cho phép các phiên bản thuận tay trái và tay phải hình thành với số lượng bằng nhau. Nhưng trong các tinh thể tự nhiên từ thùng rượu, tất cả các phân tử axit tartaric đều thuận tay phải - bởi vì nho dùng để làm rượu, được hái từ những cây nho còn sống, chỉ tạo ra chất đồng phân đối quang đó.

Chirality là một dấu hiệu của cuộc sống như chúng ta biết. Nhiều lần, các nhà hóa sinh đã phát hiện ra rằng khi các tế bào sống sử dụng các phân tử bất đối, chúng chỉ sử dụng một phân tử bất đối. Ví dụ, các loại đường tạo nên DNA đều thuận tay phải. Các axit amin tạo nên protein đều thuận tay trái. Nếu các chất đối kháng không phù hợp được đưa vào dược phẩm, tác dụng đôi khi có thể gây độc hại hoặc thậm chí gây chết người.

Một số sự kiện hoặc chuỗi sự kiện đầu tiên trong lịch sử sự sống chắc hẳn đã “làm vỡ tấm gương”, như các nhà hóa sinh đã nói, khiến sự sống rơi vào tình trạng bất đối xứng phân tử. Các nhà khoa học đã tranh luận tại sao sự sống lại trở thành đồng âm và liệu nó có cần phải xảy ra hay không hay đó chỉ là sự may mắn. Có phải sở thích của các loài vi-rút đã bị ấn tượng trong thời kỳ đầu của cuộc sống bởi các mẫu phân tử sai lệch đến từ không gian, hay bằng cách nào đó chúng đã tiến hóa ra khỏi các hỗn hợp ban đầu là các phần bằng nhau thuận tay phải và tay trái?

“Các nhà khoa học đã bối rối trước quan sát này,” nói Soumitra Athavale, trợ lý giáo sư hóa học hữu cơ tại Đại học California, Los Angeles. “Họ đã đưa ra đủ loại đề xuất trong nhiều năm, nhưng thật khó để đưa ra những đề xuất thực sự phù hợp về mặt địa chất.” Hơn nữa, trong khi nhiều lý thuyết có thể giải thích tại sao một loại phân tử có thể trở thành đồng thể, thì không có lý thuyết nào giải thích được tại sao toàn bộ mạng lưới phân tử sinh học lại như vậy.

Gần đây, một nhóm tại Đại học Harvard đã xuất bản một loạt bài báo trình bày một giải pháp hấp dẫn về cách xuất hiện tính đồng nhất trong cuộc sống. Họ cho rằng các bề mặt từ tính trên các khoáng chất trong các vùng nước trên Trái đất nguyên thủy, được tích điện bởi từ trường của hành tinh, có thể đóng vai trò là “tác nhân bất đối xứng” thu hút một số dạng phân tử nhiều hơn các dạng khác, khởi động một quá trình khuếch đại tính đối xứng của các dạng phân tử khác. các phân tử sinh học, từ tiền chất RNA cho đến protein và hơn thế nữa. Cơ chế được đề xuất của họ sẽ giải thích làm thế nào mà sự thiên lệch trong cấu tạo của một số phân tử nhất định có thể lan ra bên ngoài để tạo ra một mạng lưới rộng lớn các phản ứng hóa học hỗ trợ sự sống.

Đây không phải là giả thuyết hợp lý duy nhất, nhưng “nó là một trong những giả thuyết thú vị nhất vì nó liên kết địa vật lý với địa hóa học, với hóa học tiền sinh học, [và] cuối cùng là với hóa sinh,” cho biết Gerald Joyce, một nhà hóa sinh và chủ tịch Viện Salk, người không tham gia vào nghiên cứu. Ông cũng rất ấn tượng rằng giả thuyết này được hỗ trợ bởi “các thí nghiệm thực tế” và “họ đang thực hiện điều này trong những điều kiện thực tế”.

Hiệu ứng CISS

Nguồn gốc của lý thuyết mới về tính đồng nhất đã có từ gần một phần tư thế kỷ trước khi Ron Naaman, giáo sư vật lý hóa học tại Viện Khoa học Weizmann ở Israel và nhóm của ông đã phát hiện ra tác dụng quan trọng của các phân tử bất đối. Công trình của họ tập trung vào thực tế là các electron có hai tính chất chính: Chúng mang điện tích âm và chúng có “spin”, một tính chất lượng tử tương tự như sự quay nội tại theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Khi các phân tử tương tác với các phân tử hoặc bề mặt khác, các electron của chúng có thể tự phân phối lại, phân cực các phân tử bằng cách tạo ra điện tích âm ở điểm đích và điện tích dương ở điểm bắt đầu.

Naaman và nhóm của ông đã phát hiện ra rằng các phân tử bất đối lọc các electron dựa trên hướng quay của chúng. Các electron có một hướng spin sẽ di chuyển hiệu quả hơn trong phân tử bất đối theo một hướng so với hướng kia. Các electron có spin ngược lại sẽ di chuyển tự do hơn theo hướng ngược lại.

Để hiểu lý do tại sao, hãy tưởng tượng ném một chiếc Frisbee nhìn ra khỏi bức tường của hành lang. Nếu chiếc Frisbee chạm vào bức tường bên phải, nó sẽ chỉ bật về phía trước nếu nó quay theo chiều kim đồng hồ; nếu không nó sẽ bật ngược lại. Điều ngược lại sẽ xảy ra nếu bạn ném chiếc đĩa nhựa vào bức tường bên trái. Tương tự, các phân tử bất đối “phân tán các electron theo hướng quay của chúng”, Naaman nói. Ông và nhóm của mình đặt tên cho hiện tượng này là hiệu ứng chọn lọc spin do bất đối (CISS).

Do sự tán xạ đó, các electron có spin nhất định cuối cùng sẽ tập hợp ở một cực của phân tử bất đối (và các phiên bản thuận tay phải và tay trái của phân tử tập hợp các spin đối diện ở các cực tương ứng của chúng). Nhưng sự phân bố lại các spin đó ảnh hưởng đến cách các phân tử bất đối tương tác với các bề mặt từ tính vì các electron quay theo hướng ngược nhau sẽ thu hút lẫn nhau và các electron quay cùng hướng sẽ đẩy nhau.

Do đó, khi một phân tử bất đối tiếp cận một bề mặt từ tính, nó sẽ bị kéo lại gần hơn nếu phân tử và bề mặt đó có độ lệch spin ngược nhau. Nếu spin của chúng trùng nhau thì chúng sẽ đẩy nhau. (Vì các tương tác hóa học khác cũng đang diễn ra nên phân tử không thể đơn giản lật để tự sắp xếp lại.) Vì vậy, bề mặt từ tính có thể hoạt động như một tác nhân đối kháng, tốt nhất là chỉ tương tác với một đồng phân đối ảnh của một hợp chất.

Năm 2011, hợp tác với một nhóm tại Đại học Münster ở Đức, Naaman và nhóm của ông đo độ xoáy của các electron khi chúng di chuyển qua chuỗi DNA kép, xác nhận rằng hiệu ứng CISS là có thật và mạnh mẽ.

Đó là khi nghiên cứu về hiệu ứng và các ứng dụng có thể có của nó “bắt đầu bùng nổ”, Naaman nói. Ví dụ, ông và nhóm của mình đã phát triển một số cách sử dụng hiệu ứng CISS để loại bỏ tạp chất khỏi y sinh hoặc loại trừ các chất đối kháng không phù hợp khỏi thuốc để ngăn ngừa các tác dụng phụ nghiêm trọng. Họ cũng đã khám phá ra hiệu ứng CISS có thể giúp giải thích hiện tượng cơ chế gây mê.

Nhưng họ chỉ bắt đầu nghiên cứu một cách nghiêm túc ý tưởng rằng hiệu ứng CISS đóng vai trò trong sự gia tăng hiện tượng đồng âm sinh học sau khi họ được một nhóm tại Harvard dẫn đầu bởi nhà thiên văn học mời họ cộng tác về một giả thuyết. Dimitar Sasselov và sinh viên tốt nghiệp của mình S. Furkan Ozturk.

Một góc nhìn vật lý

Ozturk, tác giả chính trẻ tuổi của các bài báo gần đây, đã gặp phải vấn đề đồng âm vào năm 2020 khi anh còn là sinh viên tốt nghiệp vật lý tại Harvard. Không hài lòng với nghiên cứu của mình về mô phỏng lượng tử sử dụng các nguyên tử cực lạnh, anh ấy lướt qua một tạp chí khoa học trình bày chi tiết 125 bí ẩn lớn nhất trên thế giới và tìm hiểu về tính đồng nhất.

“Nó trông thực sự giống một câu hỏi vật lý vì nó liên quan đến sự đối xứng,” ông nói. Sau khi liên hệ với Sasselov, giám đốc Sáng kiến ​​Nguồn gốc Sự sống của Harvard và là người đã quan tâm đến vấn đề đồng tính, Ozturk đã chuyển sang trở thành sinh viên trong phòng thí nghiệm của mình.

Ozturk và Sasselov nhanh chóng nảy ra ý tưởng dựa trên hiệu ứng CISS. Họ tưởng tượng ra một khung cảnh nguyên thủy giống như một hồ nước nông, nơi có bề mặt chứa đầy khoáng chất có từ tính và nước chứa hỗn hợp các tiền chất bất đối của nucleotide. Họ đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng cực tím có thể đã đẩy nhiều electron ra khỏi bề mặt từ tính và nhiều electron trong số đó sẽ có cùng spin. Các electron bị đẩy ra sau đó có thể đã tương tác ưu tiên với các chất đồng phân đối ảnh cụ thể, và các phản ứng hóa học tạo ra sau đó có thể được ưu tiên lắp ráp các tiền chất RNA thuận tay phải.

Vào tháng 2022 năm XNUMX, Ozturk đến phòng thí nghiệm của Naaman ở Israel, vui mừng trước viễn cảnh thử nghiệm giả thuyết của họ. Sự phấn khích của anh chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Trong tháng tiếp theo khi anh làm việc với Naaman, ý tưởng này đã thất bại. Ozturk nói rằng nó “không hiệu quả”, và vì vậy anh trở về nhà với tâm trạng chán nản.

Nhưng rồi Ozturk lại có một ý tưởng khác. Điều gì sẽ xảy ra nếu hiệu ứng CISS không biểu hiện dưới dạng quá trình hóa học mà dưới dạng vật lý?

Nhóm của Naaman đã chỉ ra rằng họ có thể sử dụng các bề mặt từ tính để kết tinh các chất đồng phân đối quang một cách tốt nhất. Và sự kết tinh sẽ là cách dễ dàng nhất để tập hợp các bộ sưu tập chất đồng phân đối ảnh đã được tinh chế. Ozturk đã đề cập điều đó với John Sutherland, cộng tác viên của họ tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử MRC ở Anh “Và tôi đã nói, hãy bỏ mọi thứ liên quan đến điện tử và chỉ tập trung vào quá trình kết tinh,” Sutherland nói.

Sutherland rất hào hứng với khía cạnh kết tinh vì ông và nhóm của mình đã độc lập phát hiện ra rằng tiền chất RNA có tên là ribo-aminooxazoline (RAO) có thể tổng hợp hai trong số bốn khối cơ bản của RNA. Sutherland cho biết RAO cũng “kết tinh rất đẹp”. Khi một hạt tinh thể hình thành từ chất đồng phân đối ảnh bị hút lên bề mặt, tinh thể sẽ phát triển tốt hơn bằng cách kết hợp nhiều chất đồng phân đối ảnh tương tự.

Ozturk nhớ Sutherland đã nói với anh rằng sẽ “kết thúc trò chơi” nếu ý tưởng về hiệu ứng CISS thành công. “Bởi vì nó quá đơn giản,” Ozturk nói. “Nó đang thực hiện điều đó trên một phân tử đóng vai trò trung tâm đối với nguồn gốc của hóa học sự sống đến mức nếu bạn có thể tạo ra phân tử đồng phân đó, thì bạn có thể tạo ra toàn bộ hệ thống đồng phân.”

Ozturk được làm việc ở phòng thí nghiệm Harvard. Ông đặt các bề mặt từ tính lên một đĩa petri và đổ đầy dung dịch chứa lượng phân tử RAO thuận tay trái và tay phải bằng nhau. Sau đó, ông đặt chiếc đĩa lên một nam châm, đặt thí nghiệm vào tủ lạnh và đợi những tinh thể đầu tiên xuất hiện. Lúc đầu, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng 60% tinh thể là do một tay sử dụng. Khi họ lặp lại quá trình này, tinh thể của họ có độ chir giống nhau 100%.

Như họ đã báo cáo trong một nghiên cứu được công bố vào tháng XNUMX năm Những tiến bộ khoa học, nếu họ từ hóa bề mặt theo một cách, họ sẽ tạo ra các tinh thể hoàn toàn thuận tay phải; nếu họ từ hóa nó theo cách khác thì các tinh thể hoàn toàn thuận tay trái. “Tôi rất ngạc nhiên vì tôi quá quen với những thí nghiệm không hiệu quả,” Ozturk nói. Nhưng cái này “hoạt động như một cơ duyên.”

Phía sau bàn làm việc của mình, Ozturk giữ chai sâm panh rỗng mà Sasselov và nhóm đã chia sẻ trong bữa tối ăn mừng.

Nhân và khuếch đại

Nhưng họ vẫn gặp phải một vấn đề lớn: Nam châm họ sử dụng trong thí nghiệm mạnh hơn từ trường Trái đất khoảng 6,500 lần.

Vì vậy, Ozturk quay trở lại Viện Weizmann vào tháng 50 năm ngoái, sau đó ông và Naaman thực hiện một thí nghiệm tiếp theo trong đó họ hoàn toàn không sử dụng từ trường bên ngoài. Thay vào đó, họ phát hiện ra rằng khi các phân tử bất đối được hấp phụ trên bề mặt từ tính, chúng tạo ra một từ trường cục bộ cao trên bề mặt mạnh gấp XNUMX lần từ trường Trái đất. Phát hiện của họ đã được một tạp chí bình duyệt chấp nhận nhưng chưa được công bố.

Joyce nói: “Bạn đang buộc khu vực xung quanh phải bị từ hóa, điều này khiến các tinh thể tiếp tục hình thành càng dễ dàng hơn”. Ông nói thêm rằng hiệu ứng tự duy trì đó làm cho kịch bản trở nên hợp lý.

Athavale đồng ý. Ông nói, thực tế là bạn không cần một từ trường cao để hiệu ứng CISS xảy ra là “thực sự tốt, bởi vì bây giờ bạn đã nhìn thấy một môi trường địa chất có thể xảy ra”.

Nhưng chìa khóa thực sự để tạo ra tính đồng nhất là xem xét hiệu ứng có thể được khuếch đại như thế nào trên một mạng lưới các phân tử tương tác. Sasselov nói: “Khía cạnh quan trọng nhất của tất cả những điều này không phải là chúng tôi đã tìm ra cách khác để có được sản phẩm chirus mà là nhóm của ông đã tìm ra con đường tạo ra một mạng lưới đồng tính.

Trong một bài báo đăng trên trang bìa của Tạp chí Vật lý Hóa học vào tháng 10, Ozturk, Sasselov và Sutherland đã đề xuất một mô hình về cách thông tin bất đối có thể lan truyền qua mạng lưới prebiotic. Sutherland và nhóm của ông trước đây đã chỉ ra rằng các chất tương tự của các phân tử RNA chuyển thuận tay phải – liên kết các axit amin và đưa chúng đến ribosome để tạo ra protein – liên kết với các axit amin thuận tay trái nhanh hơn XNUMX lần so với các axit amin thuận tay phải. Phát hiện này gợi ý rằng RNA bất đối ưu tiên tạo ra các protein có đặc tính bất đối ngược, như được thấy trong tự nhiên. Như các nhà nghiên cứu đã viết trong bài báo: “Do đó, vấn đề đồng âm về mặt sinh học có thể được giảm bớt để đảm bảo rằng một tiền chất RNA phổ biến duy nhất (ví dụ: RAO) có thể được tạo ra đồng âm.”

Ozturk cho biết nghiên cứu này không giải thích trực tiếp tại sao các nucleotide ưa thích của sự sống lại thuận tay phải và các axit amin của nó lại thuận tay trái. Nhưng những phát hiện mới này cho thấy yếu tố quyết định là từ hóa do từ trường Trái đất gây ra. Athavale lưu ý rằng ngay cả khi quá trình kết tinh xảy ra ở 100 hồ nguyên thủy, từ trường của Trái đất sẽ đảm bảo rằng tất cả chúng đều tạo ra các tiền chất có cùng độ thuận tay chứ không phải là hỗn hợp.

Joyce lưu ý rằng sẽ có một “sự thay đổi nhỏ thú vị” nếu từ trường tạo ra sự thiên vị như vậy: Nếu sự sống bắt đầu ở bán cầu bắc và thiên về các phân tử thuận tay, thì nó sẽ thể hiện sự thuận tay ngược lại nếu nó phát sinh ở bán cầu nam.

Athavale lưu ý rằng việc truyền bá tính bất đối giữa các họ phân tử vẫn còn mang tính giả thuyết cao, mặc dù việc khiến mọi người suy nghĩ là điều tốt. Sasselov đồng ý. Ông nói: “Ý tưởng của bài báo này là thúc đẩy mọi người đi và thực hiện những thí nghiệm này.

Văn Thao Ma, một nhà nghiên cứu về nguồn gốc sự sống tại Đại học Vũ Hán ở Trung Quốc, cho biết các bài báo mới đánh dấu “sự tiến bộ thú vị”. Nhưng anh ta sẽ cần thấy hiệu ứng CISS dẫn đến sự trùng hợp RNA để xem đó là một câu trả lời hoàn chỉnh. Ông nói: “Nếu họ có thể đạt được kết quả này, tôi nghĩ chúng ta không còn xa… giải pháp”.

“Tôi thực sự thích hiệu ứng CISS,” nói Noémie Globus, một nhà vật lý thiên văn đang nghiên cứu về vấn đề đồng âm. Bà nói, điều sẽ thuyết phục hơn là các nhà nghiên cứu sẽ kiểm tra xem liệu các thiên thạch có chứa quá nhiều axit amin với một hướng thuận cụ thể (đã được tìm thấy trước đó) cũng chứa các hạt từ tính dư thừa hay không. Cô cũng lưu ý rằng các cơ chế lý thuyết khác nhau đều có thể đã tạo ra tính đồng nhất trong các phân tử khác nhau.

Jeffrey Bada, một giáo sư danh dự tại Viện Hải dương học Scripps thuộc Đại học California, San Diego, tỏ ra hoài nghi về ý tưởng này. Ông không tin rằng RNA có thể được tổng hợp trong điều kiện nguyên thủy như là phân tử tự sao chép đầu tiên. Ông nói: “Không ai tạo ra RNA trong bối cảnh tiền sinh học,” bởi vì có quá nhiều vấn đề về tính ổn định của phân tử.

Nhóm của Sutherland vẫn đang nghiên cứu để chứng minh rằng hai loại nucleotide còn lại có thể được tạo ra từ phân tử tiền thân RNA. “Tôi nghĩ chúng tôi khá thân thiết,” Sutherland nói. “Nhưng nhóm của tôi sẽ nói với bạn rằng tôi đã nói điều đó suốt 22 năm rồi.”

Cho dù hiệu ứng CISS đại diện cho giải pháp, một phần của giải pháp hay không có giải pháp nào thì rõ ràng vẫn có các bước tiếp theo để kiểm tra nó. Athavale nói: “Nó có tất cả các khía cạnh của một giả thuyết hay, trong đó bạn nghĩ ra điều gì đó sáng tạo, điều gì đó khả thi và sau đó là điều gì đó cuối cùng có thể được thử nghiệm”. Ông cho rằng bước tiếp theo thuyết phục nhất là đưa ra bằng chứng địa chất cho thấy quá trình này có thể xảy ra bên ngoài phòng thí nghiệm.

Qua một cuộc gọi qua Zoom, Ozturk đã giơ một tảng đá đen phẳng mà anh nhặt được trong chuyến đi đến Úc, một nơi chứa đầy đá sắt từ tính mà anh hy vọng có thể tái tạo các thí nghiệm của mình trên đó. Ông cũng muốn thực hiện các thử nghiệm trong tương lai về ý tưởng này một cách năng động hơn: Các hồ nguyên thủy nơi ông cho rằng các phân tử ban đầu được hình thành sẽ có các dòng và dòng vật chất, cũng như các chu trình “khô-ướt” tự nhiên do mưa và nhiệt độ cao điều khiển, điều đó sẽ cho phép các tinh thể hình thành và hòa tan, hình thành và hòa tan.

Lưu ý của biên tập viên: Sasselov và nhóm của ông, cũng như Joyce và Sutherland, đã nhận được tài trợ từ Quỹ Simons, cũng tài trợ cho việc này tạp chí độc lập biên tập. Các quyết định tài trợ của Simons Foundation không ảnh hưởng đến phạm vi bảo hiểm của chúng tôi.