Открытие объясняет, почему молекулы жизни являются левосторонними или правостороннимиОткрытие объясняет, почему молекулы жизни являются левосторонними или правосторонними
Эксперименты показывают, что магнитные материалы изменили ориентацию ранних биомолекул.
В 1848 году Луи Пастер обнаружил, что некоторые молекулы, необходимые для жизни, существуют в зеркальном отображении, подобно нашим левой и правой рукам. Сегодня мы знаем, что биология выбирает только одну из этих "хиральных" форм: ДНК, РНК и их строительные блоки - все правосторонние, в то время как аминокислоты и белки - все левосторонние. Пастер, увидевший признаки этой избирательности, или "гомохиральности", подумал, что магнитные поля могут как-то объяснить ее, но ее происхождение так и осталось одной из величайших загадок биологии. Теперь выясняется, что Пастер действительно был в чем-то прав.
В трех новых работах исследователи предполагают, что магнитные минералы, распространенные на ранней Земле, могли вызывать накопление ключевых биомолекул на их поверхности только в одной зеркальной форме, что запускало положительную обратную связь, которая продолжала благоприятствовать той же форме. "Это настоящий прорыв", - считает Джек Шостак, химик по происхождению жизни из Чикагского университета, который не принимал участия в новой работе. "Гомохиральность необходима для начала биологии, и это возможное - я бы сказал, очень вероятное - решение".
Химические реакции обычно протекают беспристрастно, давая равное количество право- и левовращающих молекул. Но жизнь требует избирательности: например, только правовращающая ДНК имеет правильную ориентацию, чтобы правильно взаимодействовать с другими хиральными молекулами. Чтобы получить жизнь, "нужно разбить зеркало, иначе ничего не получится", - говорит Джеральд Джойс, химик, изучающий происхождение жизни, и президент Института биологических исследований Салка.
За последнее столетие исследователи предложили различные механизмы ориентации первых биомолекул, включая космические лучи и поляризованный свет. Оба механизма могут вызвать первоначальное смещение в пользу право- или левосторонних молекул, но они не объясняют напрямую, как это первоначальное смещение было усилено, чтобы создать большие резервуары хиральных молекул, вероятно, необходимых для создания первых клеток. Объяснение, которое создает начальное смещение, является хорошим началом, но "недостаточным", - говорит Димитар Сасселов, физик из Гарвардского университета и один из руководителей новой работы.
Признаки другого варианта появились в 1999 году, когда исследователи под руководством Рона Наамана, физика из Научного института Вейцмана, обнаружили, что электроны в противоположных хиральных формах молекулы обладают контрастным спином - магнитным свойством. Более поздние эксперименты показали, что спиновые различия могут вызывать различное взаимодействие хиральных молекул с магнитными материалами, в которых спины электронов выравниваются, создавая магнитные силы. Например, Нааман и его коллеги обнаружили, что левовращающие пептиды могут связываться с магнитной поверхностью, а правовращающие - отталкиваться. Но и это открытие не объясняет, как первоначальное смещение могло усилиться.
В 2009 году появились первые проблески понимания механизма усиления. Исследователи под руководством Мэтью Паунера и Джона Сазерленда из Манчестерского университета изучали возможное происхождение РНК, которая, по мнению многих исследователей, играет центральную роль в зарождении жизни. Их заинтриговала молекула под названием рибо-аминооксазолин (RAO), которая, как они обнаружили, может вступать в реакцию, образуя два нуклеотидных строительных блока РНК. RAO относится к редкому классу кристаллов, которые обладают одной хиральностью: как только кристалл начинает расти из право- или левовращающей версии молекулы, только молекулы с той же хиральностью могут связываться со структурой. Такие кристаллы, если бы они начинали расти с начальным сдвигом, могли бы вызвать образование хиральных RAO.
И вот теперь Сасселов и его коллеги соединили эти две части вместе. Они задались вопросом, могут ли магнитные поверхности благоприятствовать одной хиральной форме RAO. Чтобы выяснить это, они обратились к магнетиту, магнитному минералу, который часто встречается в земной коре. Они приложили сильное внешнее магнитное поле, выровняв спины электронов в магнетите и усилив его магнетизм. Когда они подвергли поверхность магнетита воздействию раствора, содержащего равное количество право- и левовращающих молекул RAO, 60% молекул, осевших сверху, оказались односторонними. Это создало кристаллическое зерно, которое вызвало связывание дополнительных однонаправленных молекул RAO, в итоге образовав чистые однонаправленные кристаллы RAO, сообщили исследователи на прошлой неделе в журнале Science Advances. Когда они изменили ориентацию поля и повторили эксперимент, образовались кристаллы с противоположной ориентацией. "Это действительно классный эффект и способ нарушить симметрию", - отмечает Паунер.
Одно из опасений заключается в том, что приложенное магнитное поле было примерно в 6500 раз сильнее, чем собственное поле Земли, предупреждает Ноэми Глобус, физик из Калифорнийского университета, чья собственная работа поддерживает космические лучи как источник хиральной направленности жизни. "Для этого нужны условия, которые совершенно нереальны", - говорит она.
Но предыдущие отчеты показывают, что магнетит, подверженный только естественному магнитному полю Земли, все же может вызвать первоначальное, хотя и меньшее, смещение в сторону одной формы хиральной молекулы. Сасселов и его коллеги сообщили в препринте arXiv от 13 апреля, что когда чистые хиральные кристаллы RAO были помещены поверх магнетита, выравнивание электронных спинов в кристаллах заставило выравниваться все больше и больше электронных спинов в нижележащем магнитном материале, создавая положительную обратную связь. "Это самоподдерживается и увеличивает устойчивость смещения в сторону одной молекулярной формы", - говорит член исследовательской группы Фуркан Озтюрк, аспирант Гарвардского университета.
Хиральная RAO, в свою очередь, накладывает свою направленность на создаваемые ею строительные блоки РНК, и теперь группа Сасселова показала, что это влияние распространяется и на другие биологические молекулы. В статье, опубликованной на прошлой неделе в журнале Journal of Chemical Physics, они показывают, что после образования избытка хиральной РНК, известные химические реакции могут передать это хиральное предпочтение, создавая аминокислоты и белки с противоположной ориентацией и, в конечном счете, способствуя образованию других хиральных молекул, необходимых для клеточного метаболизма. "Нет ни одного способа, который решал бы все те же проблемы, что этот", - комментирует Шостак.
Однако поиски, начатые Пастером, еще не закончены. Сасселов признает, что RAO приводит к синтезу только двух из четырех нуклеотидов РНК - цитозина и урацила. Неизвестно, как она производит два других - аденин и гуанин, хотя, по словам Сасселова, существует "большой стимул" для поиска реакций RAO, которые могли бы это сделать. Если они смогут это сделать, то загадка биологической хиральности может стать еще на один шаг ближе к разгадке.
