Cząsteczki często charakteryzują się asymetrią strukturalną zwaną chiralnością, co oznacza, że mogą pojawiać się w alternatywnych, lustrzanych wersjach, przypominających lewą i prawą wersję ludzkiej dłoni. Jedną z największych tajemnic dotyczących pochodzenia życia na Ziemi jest to, że praktycznie wszystkie podstawowe cząsteczki biologiczne, takie jak elementy składowe białek i DNA, występują tylko w jednej formie chiralnej.
Chemicy z Scripps Research w dwóch głośnych badaniach zaproponowali eleganckie rozwiązanie tej zagadki, pokazując, w jaki sposób ta jednoręczność, czyli „homochiralność”, mogła utrwalić się w biologii.
Badania opublikowano w Proceedings of the National Academy of Sciences 5 lutego 2024 r. oraz w czasopiśmie Nature 28 lutego 2024 r. Łącznie sugerują, że pojawienie się homochiralności było w dużej mierze spowodowane zjawiskiem chemicznym zwanym rozdzielczością kinetyczną, w którym jedna forma chiralna staje się liczniejsza niż inna ze względu na szybszą produkcję i/lub wolniejsze wyczerpywanie się.
„Istniało wiele propozycji dotyczących pojawienia się homochiralności w określonych cząsteczkach – na przykład w określonych aminokwasach – ale tak naprawdę potrzebowaliśmy bardziej ogólnej teorii” – mówi Donna Blackmond, doktor, profesor i kierownik katedry Johna C. Martina chemii w Scripps Research, który kierował obydwoma badaniami.
Absolwent Jinhan Yu i doktorant Min Deng byli pierwszymi autorami obu badań.
Zagadka homochiralności
Chemia „pochodzenia życia” była ruchliwą dziedziną przez większą część ubiegłego stulecia. Jej praktycy odkryli dziesiątki kluczowych reakcji, które prawdopodobnie zachodziły na wczesnej, „prebiotycznej” Ziemi, w wyniku czego powstały pierwsze DNA, RNA, cukry, aminokwasy i inne cząsteczki podtrzymujące życie. W tym dorobku brakuje jednak wiarygodnej teorii prebiotycznej opisującej pojawienie się homochiralności.
„W tej dziedzinie istnieje tendencja do ignorowania problemu chiralności podczas poszukiwania prawdopodobnych reakcji, w wyniku których mogłyby powstać pierwsze cząsteczki biologiczne” – mówi Blackmond. „To frustrujące, ponieważ bez reakcji sprzyjających homochiralności nie byłoby życia”.
Zwykłe reakcje chemiczne, w wyniku których powstają cząsteczki chiralne, zwykle dają równe („racemiczne”) mieszaniny form lewoskrętnych i prawoskrętnych. Poza biologią to mieszanie zazwyczaj nie ma znaczenia, ponieważ obie formy mają zwykle podobne lub identyczne właściwości. Jednak w biologii, w wyniku rozległej homochiralności, często zdarza się, że tylko lewo- lub prawoskrętna forma chiralnej cząsteczki ma użyteczne właściwości – druga może być obojętna lub nawet toksyczna. Zatem komórki często kierują reakcjami, uzyskując specyficzne formy chiralne, wykorzystując wysoko rozwinięte enzymy.
Jednak prebiotyczna Ziemia nie miałaby takich enzymów – więc jak w ogóle powstała homochiralność?
Wynik paradoksalny
W badaniu opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences Blackmond i jej zespół zajęli się tym problemem dotyczącym aminokwasów. Te małe cząsteczki organiczne są wykorzystywane przez wszystkie żywe istoty na Ziemi jako elementy budulcowe białek, ale w biologii występują jedynie w postaci lewoskrętnej chiralności.
Naukowcy starali się w szczególności odtworzyć homochiralność w centralnym procesie produkcji aminokwasów zwanym transaminacją, stosując stosunkowo prostą, prawdopodobnie prebiotyczną chemię, która wyklucza złożone enzymy.
We wczesnych testach reakcja eksperymentalna zespołu zadziałała i dała aminokwasy wzbogacone o jedną formę chiralną w porównaniu z drugą. Problem polegał na tym, że preferowaną formą była forma praworęczna – ta, której biologia nie używa.
„Utknęliśmy na chwilę, ale potem zapaliła się żarówka i zdaliśmy sobie sprawę, że część reakcji możemy przeprowadzić w odwrotną stronę” – mówi Blackmond.
Kiedy to zrobili, w reakcji nie wytwarzały się już aminokwasy prawoskrętne. W uderzającym przykładzie rozdzielczości kinetycznej zamiast tego preferencyjnie zużywał i uszczuplał wersje prawoskrętne, pozostawiając więcej pożądanych aminokwasów lewoskrętnych. Stanowiło to zatem wiarygodną drogę do homochiralności aminokwasów stosowanych w żywych komórkach.
Łącząc to wszystko razem
Na potrzeby badania Nature chemicy zbadali prostą reakcję, podczas której aminokwasy występujące w najwcześniejszych formach życia mogły zostać połączone w pierwsze krótkie białka (znane również jako peptydy). Reakcja została opublikowana wcześniej przez innego badacza, ale nigdy nie była badana pod kątem jej zdolności do wytwarzania homochiralnych peptydów z racemicznych lub prawie racemicznych mieszanin aminokwasów.
Po raz kolejny chemicy natknęli się na przeszkodę, która wydawała się nie do pokonania: odkryli, że podczas tworzenia łańcuchów peptydowych aminokwasów reakcja przebiegała szybciej w przypadku połączeń aminokwasów lewoskrętnych z prawoskrętnymi – co jest przeciwieństwem pożądanej homochiralnej peptydy.
Mimo to zespół nie poddawał się. W końcu odkryli, że gdy jeden typ aminokwasu w początkowej puli aminokwasów miał nawet umiarkowaną dominację formy leworęcznej – co potwierdziło ich inne badanie – szybsza szybkość reakcji dla leworęcznych wiązania prawoskrętne preferencyjnie zubożały aminokwasy prawoskrętne, pozostawiając coraz większe stężenie aminokwasów lewoskrętnych. Dodatkowo peptydy lewy-prawy-lewy-prawy miały silniejszą tendencję do zlepiania się i wypadania z roztworu w postaci ciała stałego. W ten sposób te zjawiska związane z rozdzielczością kinetyczną dały zaskakująco czysty roztwór prawie całkowicie lewoskrętnych peptydów.
Zdaniem Blackmonda pozornie paradoksalne mechanizmy odkryte w tych badaniach stanowią pierwsze przekonujące i szerokie wyjaśnienie pojawienia się homochiralności – wyjaśnienie, które prawdopodobnie działa nie tylko w przypadku aminokwasów, mówi, ale także innych podstawowych cząsteczek biologicznych, takich jak DNA i RNA.
Fundusze na oba badania zapewniła Fundacja Simonsa za pośrednictwem Simons Collaboration on the Origins of Life (SCOL 287625) oraz za pośrednictwem katedry chemii im. Johna C. Martina w Scripps Research.