磁性可能赋予生命分子不对称性广达杂志

1848 年，路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）还是一位年轻的化学家，距离发现如何对牛奶进行消毒还差很多年，他发现了工业化学家煮酒时间过长时意外形成的晶体的一些奇特之处。 一半的晶体可以识别为酒石酸，这是一种工业上有用的盐，自然生长在酒桶壁上。 其他晶体具有完全相同的形状和对称性，但一个面的方向相反。

差异如此明显，以至于巴斯德可以用镊子在放大镜下分离晶体。 “它们之间的关系就像镜子中的图像与真实事物的关系一样，”他在当年的一篇论文中写道。

尽管巴斯德不知道，在酒的结晶渣中，他偶然发现了地球生命起源的最深奥的谜团之一。

他看到的是酒石酸分子的混合物，这些分子具有相同的原子组成以及这些原子在空间中的镜像排列。 它们具有后来被称为“手性”的特性，希腊语中的“手”一词：正如我们的左手和右手是彼此对称的相反，酒石酸分子的左手和右手版本（或对映体）是不同且不等同。

巴斯德观察的意义不仅仅在于发现手性——还有他看到手性的非凡原因。 合成晶体是酒石酸对映体的混合物，因为沸腾过程允许形成相同数量的左旋和右旋版本。 但在酒桶中的天然晶体中，所有酒石酸分子都是右旋的——因为用于酿酒的葡萄是从活藤上采摘的，只产生了对映体。

正如我们所知，手性是生命的标志。 生物化学家一遍又一遍地发现，当活细胞使用手性分子时，它们只使用一种手性。 例如，构成 DNA 的糖都是右旋糖。 组成蛋白质的氨基酸都是左旋的。 如果药物中加入了错误的对映体，有时可能会产生毒性甚至致命。

正如生物化学家所说，生命历史早期的某些事件或一系列事件必定“打破了镜子”，使生命陷入分子不对称。 科学家们一直在争论生命为何变得纯手性，以及它是否需要发生，或者是否纯粹是侥幸。 早期生命中的手性偏好是来自太空的有偏差的分子样本所留下的印象，还是它们以某种方式从最初是右旋和左旋的混合物中进化而来？

“科学家们对这一观察感到困惑，”说 苏米特拉·阿塔瓦莱，加州大学洛杉矶分校有机化学助理教授。 “多年来他们提出了各种各样的建议，但很难提出与地质实际相关的建议。” 此外，虽然许多理论可以解释为什么一种类型的分子可能变得纯手性，但没有一个理论可以解释为什么整个生物分子网络会变得纯手性。

最近，哈佛大学的一个小组发表了一系列论文，为生命的同手性如何出现提供了一个有趣的解决方案。 他们认为，原始地球水体中矿物质的磁性表面，由地球磁场充电，可能充当“手性试剂”，比其他分子更能吸引某些形式的分子，从而启动了放大分子手性的过程。生物分子，从 RNA 前体一直到蛋白质等等。 他们提出的机制将解释某些分子的组成偏差如何向外级联，从而创建一个支持生命的巨大手性化学网络。

这不是唯一合理的假设，但“它是最酷的假设之一，因为它将地球物理学与地球化学、生命起源前的化学，[并]最终与生物化学联系在一起，”说 杰拉尔德·乔伊斯生物化学家、索尔克研究所所长，他没有参与这项研究。 令他印象深刻的是，该假设得到了“实际实验”的支持，并且“他们是在现实条件下这样做的”。

CISS 效应

关于同手性的新理论的根源可以追溯到近四分之一个世纪之前 罗恩·纳曼以色列魏茨曼科学研究所化学物理学教授和他的团队发现了手性分子的关键效应。 他们的工作重点是电子具有两个关键特性：它们带有负电荷，并且具有“自旋”，这是一种类似于固有顺时针或逆时针旋转的量子特性。 当分子与其他分子或表面相互作用时，它们的电子可以重新分布，通过在目的地产生负电荷并在起点产生正电荷来使分子极化。

纳曼和他的团队发现手性分子根据自旋方向过滤电子。 具有一个自旋方向的电子将比另一个方向更有效地沿一个方向移动穿过手性分子。 自旋相反的电子以相反的方式移动更自由。

要理解其中的原因，请想象一下扔一个飞盘，它会从走廊的墙壁上掠过。 如果飞盘撞到右手边的墙上，只有顺时针旋转它才会向前弹起； 否则，它会向后反弹。 如果您将飞盘从左侧墙壁上击落，则会发生相反的情况。 同样，手性分子“根据旋转方向散射电子，”纳曼说。 他和他的团队将这种现象命名为手性诱导自旋选择性（CISS）效应。

由于这种散射，具有给定自旋的电子最终聚集在手性分子的一个极处（并且该分子的右手和左手版本在各自的极处聚集相反的自旋）。 但自旋的重新分布会影响手性分子与磁性表面的相互作用，因为沿相反方向旋转的电子会相互吸引，而沿同一方向旋转的电子会相互排斥。

因此，当手性分子接近磁性表面时，如果分子和表面具有相反的自旋偏压，它就会被拉得更近。 如果它们的旋转匹配，它们就会相互排斥。 （因为其他化学相互作用也在发生，分子不能简单地翻转以重新排列自身。）因此，磁性表面可以充当手性试剂，优先与化合物的一种对映异构体相互作用。

2011年，Naaman和他的团队与德国明斯特大学的一个团队合作 测量旋转 电子穿过双链 DNA 时的电子数量，证实了 CISS 效应既真实又强大。

纳曼说，从那时起，对该效应及其可能应用的研究“开始蓬勃发展”。 例如，他和他的团队开发了多种方法，利用 CISS 效应去除生物药品中的杂质，或从药物中排除错误的对映体，以防止重大副作用。 他们还探索了 CISS 效应如何帮助解释 麻醉机制.

但在天文学家领导的哈佛大学团队邀请他们合作研究一项假设后，他们才开始认真研究 CISS 效应在生物同手性的兴起中发挥作用的观点。 迪米塔尔·萨塞洛夫 和他的研究生 S·福尔坎·奥兹图尔克.

物理学视角

奥兹图尔克是最近论文的年轻主要作者，他在 2020 年还是哈佛大学物理学研究生时遇到了同手性问题。 他对使用超冷原子进行量子模拟的研究并不满意，于是翻阅了一本详细介绍了世界上 125 个最大谜团的科学杂志，并了解了同手性。

“这看起来真的像一个物理问题，因为它与对称性有关，”他说。 在联系了哈佛生命起源计划的主任萨塞洛夫（Sasselov）之后，萨塞洛夫已经对同手性问题感兴趣，奥兹图尔克转而成为他实验室的学生。

奥兹图克和萨塞洛夫很快想到了一个基于 CISS 效应的想法。 他们想象了一个原始环境，就像一个浅湖，表面充满磁性矿物质，水中含有核苷酸的手性前体的混合物。 他们推测，紫外线可以从磁性表面喷射出许多电子，并且其中许多电子具有相同的自旋。 然后，喷射的电子可能会优先与特定的对映异构体相互作用，并且由此产生的化学反应可能会优先组装右手RNA前体。

2022 年 XNUMX 月，Ozturk 前往以色列 Naaman 的实验室，对检验他们的假设的前景感到兴奋。 他的兴奋是短暂的。 在接下来的一个月里，当他与乃缦一起工作时，这个想法失败了。 奥兹图尔克说，这“不起作用”，所以他垂头丧气地回到家。

但随后奥兹图尔克有了另一个想法。 如果 CISS 效应不是表现为化学过程而是物理过程怎么办？

奈曼的研究小组已经证明，他们可以利用磁性表面来优先结晶对映异构体。 结晶将是组装纯化的对映体集合的最简单方法。 奥兹图尔克提到 约翰·萨瑟兰”，他们在英国 MRC 分子生物学实验室的合作者“我说，放弃所有与电子有关的事情，只关注结晶，”萨瑟兰说。

Sutherland 对结晶方面感到兴奋，因为他和他的团队已经独立发现了一种称为核糖氨基恶唑啉 (RAO) 的 RNA 前体可以合成 RNA 的四个组成部分中的两个。 Sutherland 说，RAO 也“完美地结晶”。 一旦由被吸引到表面的对映异构体形成晶种，晶体就会优先通过掺入更多相同的对映异构体来生长。

奥兹图克记得萨瑟兰告诉他，如果 CISS 效应的想法奏效，那就“游戏结束”。 “因为它太简单了，”奥兹图克说。 “它是在一个对生命化学起源至关重要的分子上进行的，如果你能设法使该分子成为纯手性的，你就可以使整个系统成为纯手性的。”

奥兹图克开始在哈佛大学实验室工作。 他将磁铁矿表面放在培养皿上，并在其中填充含有等量左手和右手 RAO 分子的溶液。 然后他将盘子放在磁铁上，将实验放入冰箱中，等待第一批晶体的出现。 起初，团队发现60%的晶体是单手的。 当他们重复这个过程时，他们的晶体具有 100% 相同的手性。

正如他们在 XNUMX 月发表的一项研究中所报告的那样 科学进展，如果他们以一种方式磁化表面，他们就会创造出纯右手晶体； 如果他们以相反的方式磁化它，这些晶体就纯粹是左旋的。 “我非常惊讶，因为我非常熟悉那些不起作用的实验，”奥兹图克说。 但这“就像一种魅力”。

奥兹图尔克的办公桌后面放着萨塞洛夫和团队在庆祝晚宴上分享的空香槟瓶。

乘法和放大

但他们仍然面临一个大问题：他们在实验中使用的磁铁比地球磁场强约 6,500 倍。

于是奥兹图克于去年50月回到了魏茨曼研究所，随后他和纳曼进行了一项后续实验，其中他们完全不使用外部磁场。 相反，他们发现，当手性分子被吸附到磁性表面上时，它们会在表面上产生高度局部的磁场，其强度高达地球磁场的 XNUMX 倍。 他们的研究结果已被同行评审期刊接受，但尚未发表。

“你迫使邻近区域被磁化，这使得晶体更容易继续形成，”乔伊斯说。 他补充说，这种自我延续的效应使这种情况变得合理。

阿塔瓦莱对此表示同意。 事实上，不需要强磁场就能发生 CISS 效应，“这真的很好，因为现在你已经看到了可能的地质环境，”他说。

但创造同手性的真正关键是研究如何在相互作用的分子网络中放大这种效应。 萨塞洛夫说：“这一切最重要的方面并不是我们设法找到另一种获得手性产物的方法，而是他的团队找到了创建同手性网络的途径。

在封面上的一篇论文中 化学物理学杂志 八月，Ozturk、Sasselov 和 Sutherland 提出了一个模型，用于说明手性信息如何在生命起源前的网络中传播。 Sutherland 和他的团队此前已经证明，右手转移 RNA 分子的类似物（结合氨基酸并将其带到核糖体以制造蛋白质）与左手氨基酸的连接速度比右手氨基酸的连接速度快 10 倍。 这一发现表明，手性 RNA 优先制造具有相反手性的蛋白质，正如自然界中所见。 正如研究人员在论文中所写：“因此，生物同手性问题可能会减少，以确保单个常见的 RNA 前体（例如 RAO）可以成为同手性。”

奥兹图克说，这项研究并没有直接解释为什么生命首选的核苷酸是右旋的，而氨基酸是左旋的。 但这些新发现表明，决定因素是地球磁场引起的磁化强度。 Athavale 指出，即使结晶过程发生在 100 个原始湖泊中，地球磁场也会确保它们都产生具有相同旋向性的前体，而不是混合物。

乔伊斯指出，如果磁场产生这样的偏差，就会出现一个“很酷的小扭曲”：如果生命起源于北半球，并且有利于具有单旋性的分子，那么如果它出现在南半球，它就会表现出相反的旋性。

阿塔瓦莱指出，分子家族之间手性的传播仍然是高度假设的，尽管这有助于人们思考。 萨塞洛夫对此表示同意。 “这篇论文的想法是激励人们去做这些实验，”他说。

马文涛中国武汉大学的生命起源研究员表示，这些新论文标志着“有趣的进展”。 但他需要看到 CISS 效应导致 RNA 聚合才能将其视为完整的答案。 “如果他们能够实现这一结果，我认为我们距离……解决方案并不遥远，”他说。

“我真的很喜欢 CISS 效果，”说 诺米·格洛布斯（NoémieGlobus），一位正在研究同手性问题的天体物理学家。 她说，更有说服力的是研究人员检查含有过量氨基酸且具有特定旋向性（之前已发现）的陨石是否也含有过量磁性颗粒。 她还指出，不同的理论机制都可能在不同的分子中产生同手性。

杰弗里·巴达加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的名誉教授对这个想法持怀疑态度。 他不相信 RNA 可以在原始条件下合成为第一个自我复制分子。 “没有人在生命起源之前制造过 RNA，”他说，因为该分子的稳定性存在太多问题。

Sutherland 的团队仍在努力证明其他两种类型的核苷酸可以由 RNA 前体分子制成。 “我认为我们已经非常接近了，”萨瑟兰说。 “但我的团队会告诉你，这句话我已经说了 22 年了。”

无论 CISS 效应代表解决方案、部分解决方案还是根本没有解决方案，显然都有后续步骤来测试它。 “它包含了一个很好的假设的所有方面，你可以提出一些创造性的东西，一些可行的东西，然后一些最终可以被测试的东西，”阿萨维尔说。 他认为，下一步最有说服力的是提供地质证据，证明这一过程可能发生在实验室之外。

在 Zoom 通话中，奥兹图克举起了一块平坦的黑色岩石，这是他在澳大利亚旅行时捡到的，那里充满了磁性铁岩石，他希望在上面复制他的实验。 他还希望未来对这个想法的测试更加动态：他认为早期分子形成的原始湖泊会有溪流和物质流，以及由降雨和高温驱动的自然“干湿”循环，这使得将允许晶体形成和溶解，形成和溶解。

编者按： 萨塞洛夫和他的团队以及乔伊斯和萨瑟兰获得了来自 西蒙斯基金会, 这也资助了这个 编辑独立杂志. 西蒙斯基金会的资助决定对我们的报道没有影响。