_ Cum a apărut „handedness” molecular în biologia timpurie

Moleculele au adesea o asimetrie structurală numită chiralitate, ceea ce înseamnă că pot apărea în versiuni alternative, cu imagini în oglindă, asemănătoare versiunilor din stânga și din dreapta ale mâinilor umane. Unul dintre marile mistere despre originile vieții pe Pământ este că practic toate moleculele fundamentale ale biologiei, cum ar fi blocurile de construcție ale proteinelor și ADN-ului, apar într-o singură formă chirală.

Chimiștii de cercetare Scripps. , în două studii de mare profil, au propus acum o soluție elegantă la acest mister, arătând cum această individualitate sau „homochiralitate” s-ar fi putut stabili în biologie.

Studiile au fost publicate în Proceedings of Academia Națională de Științe și în Natură. Împreună, ei sugerează că apariția homochiralității s-a datorat în mare parte unui fenomen chimic numit rezoluție cinetică, în care o formă chirală devine mai abundentă decât alta datorită producției mai rapide și/sau epuizării mai lente.

„Au existat au fost multe propuneri despre modul în care homochiralitatea a apărut în molecule specifice – aminoacizi specifici, de exemplu – dar avem nevoie într-adevăr de o teorie mai generală”, spune Donna Blackmond, Ph.D., profesor și director John C. Martin în Departamentul de Chimie. la Scripps Research, care a condus ambele studii.

Studentul absolvent Jinhan Yu și asociatul de cercetare postdoctoral Min Deng, Ph.D., au fost primii autori ai celor două studii.

„Originea al vieții" chimia a fost un domeniu aglomerat pentru o mare parte a secolului trecut. Practicanții săi au descoperit zeci de reacții cheie care au avut loc în mod plauzibil pe Pământul timpuriu, „prebiotic”, pentru a produce primele ADN-uri, ARN-uri, zaharuri, aminoacizi și alte molecule care susțin viața. Lipsa din acest corp de lucrări, totuși, a fost o teorie prebiotică plauzibilă pentru apariția homochiralității.

„A existat o tendință în domeniu de a ignora problema chiralității atunci când se caută reacții plauzibile care ar putea avea a făcut primele molecule biologice”, spune Blackmond. „Este frustrant pentru că fără reacții care favorizează homochiralitatea, nu am avea viață.”

Reacțiile chimice obișnuite care produc molecule chirale tind să producă amestecuri egale („racemice”) de forme stângaci și dreptaci. . În afara biologiei, această amestecare de obicei nu contează, deoarece ambele forme au de obicei proprietăți similare sau identice.

În cadrul biologiei, totuși, ca o consecință a homochirității extinse, este de obicei cazul ca doar cea stângă - sau forma dreaptă a unei molecule chirale are proprietăți utile — cealaltă poate fi inertă sau chiar toxică. Astfel, celulele ghidează adesea reacțiile pentru a produce forme chirale specifice folosind enzime foarte evoluate.

Pământul prebiotic nu ar fi avut totuși astfel de enzime – deci cum a apărut vreodată homochiralitatea?

În Studiul lor din Proceedings of the National Academy of Sciences, Blackmond și echipa ei au abordat această problemă pentru aminoacizi. Aceste molecule organice mici sunt folosite ca blocuri pentru proteine ​​de către toate ființele vii de pe Pământ, dar există în biologie doar sub formă chirală stângă.

Cercetătorii au căutat în mod special să reproducă homochiralitatea într-un proces central în aminoacizi. producția de acid numită transaminare, prin utilizarea unei chimie relativ simplă, plauzibil prebiotică, care exclude enzimele complexe.

În primele teste, reacția experimentală a echipei a funcționat și a produs aminoacizi care au fost îmbogățiți pentru o formă chirală față de cealaltă. Problema a fost că forma preferată era cea dreptaci – cea pe care biologia nu o folosește.

„Am rămas blocați o vreme, dar apoi s-a aprins becul – ne-am dat seama că putem faceți o parte din reacție invers”, spune Blackmond.

Când au făcut asta, reacția nu a mai produs în mod preferențial aminoacizi dreptaci. Într-un exemplu izbitor de rezoluție cinetică, în schimb, a consumat și epuizat de preferință versiunile pentru dreapta, lăsând mai mulți aminoacizi pentru stângaci. Astfel, a servit ca o cale plauzibilă către homochiralitate pentru aminoacizii utilizați în celulele vii.

Pentru studiul Nature, chimiștii au explorat o reacție simplă prin care aminoacizii din primele forme de viață ar fi putut fi legați împreună în primele proteine ​​scurte (cunoscute și ca peptide). Reacția fusese publicată mai devreme de un alt cercetător, dar nu fusese niciodată investigată pentru capacitatea sa de a produce peptide homochirale din amestecuri racemice sau aproape racemice de aminoacizi.

Încă o dată, chimiștii s-au întâlnit cu ceea ce părea a fi un obstacol de netrecut: au descoperit că, în formarea lanțurilor peptidice de aminoacizi, reacția a funcționat mai rapid pentru legăturile aminoacizilor stângaci cu cei dreptaci - opusul peptidelor homochirale dorite.

Totuși, echipa a perseverat. În cele din urmă, ei au descoperit că, atunci când un tip de aminoacid din grupul inițial de aminoacizi a avut chiar și o dominație moderată a formei stângaci - așa cum a făcut plauzibil celălalt studiu al lor - rata de reacție mai rapidă pentru stânga-la-dreapta- legăturile cu mâinile au epuizat de preferință aminoacizii dreptaci, lăsând o concentrație din ce în ce mai mare de cei stângaci.

În plus, peptidele stânga-dreapta-stânga-dreapta au avut o tendință mai puternică de a se aglomera și de a cădea. de soluție sub formă de solide. Aceste fenomene legate de rezoluția cinetică au ajuns astfel să producă o soluție surprinzător de pură de peptide aproape în totalitate stângaci.

Pentru Blackmond, mecanismele aparent paradoxale descoperite în aceste studii oferă prima explicație convingătoare și amplă a apariției. de homochiralitate — o explicație care probabil funcționează nu numai pentru aminoacizi, spune ea, ci și pentru alte molecule fundamentale ale biologiei, cum ar fi ADN și ARN.

(Fluierul)