Почему молекулы, связанные с происхождением жизни, являются лево- или правосторонними?
В 1848 году французский химик Луи Пастер обнаружил, что некоторые молекулы, необходимые для жизни, существуют в зеркальном отображении, подобно тому, как мы держим левую и правую руку. Сегодня хорошо известно, что биологическая форма жизни выбирает только одну из “хиральных” форм: ДНК, РНК и их строительные блоки являются правосторонними, тогда как аминокислоты и белки — левосторонними. Пастер, увидевший намеки на эту избирательность, или “гомохиральность”, предполагал, что магнитные поля могут каким-то образом объяснить это явление, но до сих пор причина хиральности остается одной из величайших загадок в биологии. Теперь же выясняется, что Пастер, возможно, мог знать причины этого явления.
В трех новых работах исследователи предполагают, что магнитные минералы, распространенные ранее на Земле, могли вызывать накопление ключевых биомолекул на их поверхности только в одной зеркальной форме, вызывая положительную обратную связь, которая продолжала благоприятствовать той же форме. «Это настоящий прорыв», — говорит Джек Шостак, химик, изучающий происхождение жизни из Чикагского университета, который не принимал участия в новой работе. «Гомохиральность необходима для начала биологической жизни, и это возможное — и я бы сказал, очень вероятное – решение».
Химические реакции, как правило, протекают непредвзято, в результате чего образуется равное количество право- и левосторонних молекул. Но жизнь требует избирательности: например, только правосторонняя ДНК имеет правильный изгиб, чтобы правильно взаимодействовать с другими хиральными молекулами. Чтобы образовалась жизнь, «нужно разбить зеркало, иначе ничего не получится», — говорит Джеральд Джойс, химик, изучающий происхождение жизни и президент Института биологических исследований имени Солка.
За прошедшее столетие исследователи предлагали различные механизмы искажения первых биомолекул, включая космические лучи и поляризованный свет. Оба эти механизма могут вызвать первоначальное смещение в пользу либо право-, либо левосторонних молекул, но они напрямую не объясняют, как это первоначальное смещение было усилено для создания больших резервуаров хиральных молекул, вероятно, необходимых для образования первых клеток. Объяснение, которое создает первоначальное смещение, является хорошим началом, но «недостаточным», говорит Димитар Сасселов, физик из Гарвардского университета и руководитель новой работы.
Намеки на другой вариант появились еще в 1999 году, когда исследователи во главе с Роном Нааманом, физиком-химиком из Научного института Вейцмана, обнаружили, что электроны в противоположных хиральных формах молекулы обладают контрастным спином, — магнитным свойством. Более поздние эксперименты показали, что различия в спинах могут приводить к различному взаимодействию хиральных молекул с магнитными материалами, в которых спины электронов выравниваются, создавая магнитные силы. Например, Нааман и его коллеги обнаружили, что левосторонние пептиды (короткие аминокислотные цепочки) могут связываться с магнитной поверхностью, в то время как правосторонние отталкиваться. Но это открытие также не объясняет, как можно усилить первоначальное смещение.
Проблеск механизма усиления появился в 2009 году. Когда исследователи под руководством Мэтью Паунера и Джона Сазерленда из Манчестерского университета изучали возможное происхождение РНК, которая, по мнению многих исследователей, играла центральную роль в зарождении жизни. Их заинтригованы молекула под названием рибоаминооксазолина (RAO), которая, как они обнаружили, может вступать в реакцию с образованием двух нуклеотидных строительных блоков РНК. RAO относится к редкому классу кристаллов, в которых соблюдается одна хиральность: как только кристалл начинает расти либо из право-, либо из левовращающейся версии молекулы, со структурой могут связываться только молекулы с той же хиральностью. Такие кристаллы, если бы они начинали расти с начальным смещением, могли бы вызвать образование хиральных RAO.
Теперь Сасселов и его коллеги соединили эти две части воедино. Они задались вопросом, могут ли магнитные поверхности благоприятствовать единственной хиральной форме RAO. Чтобы выяснить это, они обратились к магнетиту, — магнитному минералу, широко распространенному в земной коре. Приложив сильное внешнее магнитное поле, они выровняли спины электронов в магнетите и усилили его магнетизм. Когда на поверхность магнетика нанесли раствор, содержащий равное количество право- и левосторонних молекул RAO, 60% молекул, осевших сверху, оказались односторонними. Это создавало кристаллическое зерно, которое вызывало связывание дополнительных односторонних RAO, что в конечном итоге приводило к образованию чистых односторонних кристаллов RAO, сообщили исследователи в журнале Science Advances. Когда они изменили ориентацию поля и повторили эксперимент, образовались кристаллы с противоположной направленностью. «Это действительно невероятный эффект и способ нарушить симметрию», — говорит Паунер, работающий сейчас в Университетском колледже Лондона.
Одна из проблем заключается в том, что приложенное магнитное поле было примерно в 6500 раз сильнее собственного поля Земли, предупреждает Ноэми Глобус, физик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, чья собственная работа поддерживает теорию о том, что космические лучи являются источником хирального смещения жизни. «Для этого требуются совершенно нереалистичные условия», — говорит она.
Однако в предыдущих работах было показано, что магнетит, подверженный воздействию только естественного магнитного поля Земли, все же может вызывать первоначальное, хотя и меньшее, смещение в сторону одной из форм хиральной молекулы. В препринте arXiv, Сасселов и его коллеги сообщили, что когда чистые хиральные кристаллы RAO были помещены поверх магнетита, выравнивание электронных спинов в кристаллах заставляло выравниваться все больше и больше электронных спинов в нижележащем магнитном материале, создавая положительную обратную связь. По словам члена группы Фуркана Озтюрка, аспиранта Гарвардского университета «это самоподдерживается и увеличивает устойчивость смещения» в сторону одной молекулярной формы.
Хиральная RAO, в свою очередь, навязывает свою оринетацию строительным блокам РНК, которые она генерирует, и теперь команда Сасселова показала, что это влияние каскадно распространяются на другие биологические молекулы. В докладе, опубликованном в Journal of Chemical Physics, показано, что после образования избытка хиральной РНК известные химические реакции могут передавать это хиральное смещение, формируя аминокислоты и белки с противоположной ориентацией и, в конечном счете, способствуя образованию других хиральных молекул, необходимых для клеточного метаболизма. «Нет ни одного решения, которое бы решало все те же задачи, что и это», — говорит Шостак.
Однако поиски, начавшиеся с Пастера, еще не закончены. Сасселов признает, что одним из недостатков является то, что RAO приводит только к синтезу двух из четырех нуклеотидов РНК, -цитозина и урацила. Неизвестно, может ли он производить два других, — аденин и гуанин, хотя по словам Сасселова, в настоящее время ведется «активный поиск» реакций РАО, которые могли бы это сделать. Если это удастся, то загадка биологической двуручности может стать еще на шаг ближе к разгадке.
Автор материала: Robert F. Service
Материал переведен и подготовлен Командой «ПравоНалево»
Перепечатка материала возможна только при указании прямой ссылки на страницу материала и упоминании в тексте материала:
Клуб левшей «ПравоНалево»
Основатель клуба — Елена Боева
propravonalevo.com
Материал портала Science Advances. Ссылка на метериал.
