Молекули часто мають структурну асиметрію, звану хіральністю, що означає, що вони можуть з’являтися в альтернативних, дзеркальних версіях, подібних до лівої та правої версій людських рук. Однією з найбільших загадок про походження життя на Землі є те, що практично всі фундаментальні біологічні молекули, такі як будівельні блоки білків і ДНК, з’являються лише в одній хіральній формі. Хіміки Scripps Research у двох резонансних дослідженнях запропонували елегантне вирішення цієї таємниці, показуючи, як ця односторонність або «гомохіральність» могла утвердитися в біології. Дослідження були опубліковані в Proceedings of the National Academy of Sciences 5 лютого 2024 року та в Nature 28 лютого 2024 року. Разом вони припускають, що поява гомохіральності була здебільшого пов’язана з хімічним явищем, яке називається кінетична роздільна здатність, у якій одна хіральна форма стає більш поширеною, ніж інша, через швидше виробництво та/або повільніше виснаження. «Було багато пропозицій щодо того, як гомохіральність виникла в конкретних молекулах, наприклад, у конкретних амінокислотах , але нам справді потрібна була більш загальна теорія», — каже Донна Блекмонд, доктор філософії, професор і завідувач кафедри Джона К. Мартіна Департамент хімії Scripps Research, який керував обома дослідженнями. Аспірант Джинхан Юй і науковий співробітник Мін Денг, доктор філософії, були першими авторами двох досліджень. Головоломка гомохіральності Хімія «походження життя» була жвавою галуззю протягом більшої частини минулого століття. Його практики виявили десятки ключових реакцій, які, ймовірно, відбувалися на ранній «пребіотичній» Землі для виробництва перших ДНК, РНК, цукрів, амінокислот та інших молекул, які підтримують життя. Однак у цьому масиві робіт відсутня правдоподібна пребіотична теорія виникнення гомохіральності. «У цій галузі спостерігається тенденція ігнорувати проблему хіральності при пошуку ймовірних реакцій, які могли б створити перші біологічні молекули», — каже Блекмонд. «Це засмучує, тому що без реакцій, які сприяють гомохіральності, у нас не було б життя». Звичайні хімічні реакції, які утворюють хіральні молекули, мають тенденцію давати однакові («рацемічні») суміші ліво- та правосторонніх форм. За межами біології це змішування зазвичай не має значення, оскільки обидві форми зазвичай мають подібні або ідентичні властивості. Однак у біології, як наслідок великої гомохіральності, зазвичай буває, що лише ліво- чи правостороння форма хіральної молекули має корисні властивості — інша може бути інертною або навіть токсичною. Таким чином, клітини часто керують реакціями для утворення специфічних хіральних форм, використовуючи високорозвинені ферменти. Однак пребіотична Земля не мала б таких ферментів — так як взагалі виникла гомохіральність? Парадоксальний результат У своєму дослідженні в Proceedings of the National Academy of Sciences Блекмонд та її команда розглянули цю проблему для амінокислот. Ці невеликі органічні молекули використовуються всіма живими істотами на Землі як будівельні блоки для білків, але в біології існують лише в лівосторонній хіральній формі. Дослідники спеціально прагнули відтворити гомохіральність у центральному процесі виробництва амінокислот, що називається трансамінуванням, використовуючи відносно просту, правдоподібно пребіотичну хімію, яка виключає складні ферменти. У ранніх тестах експериментальна реакція команди спрацювала та дала амінокислоти, які були збагачені однією хіральною формою порівняно з іншою. Проблема полягала в тому, що улюбленою формою була правостороння — та, яку біологія не використовує. «Ми застрягли на деякий час, але потім лампочка загорілася — ми зрозуміли, що можемо виконати частину реакції у зворотному напрямку», — каже Блекмонд. Коли вони це зробили, реакція більше не створювала переважно праві амінокислоти. У яскравому прикладі кінетичного розділення він натомість споживав і виснажував правосторонні версії, залишаючи більше бажаних лівосторонніх амінокислот. Таким чином, це стало вірогідним шляхом до гомохіральності амінокислот, які використовуються в живих клітинах. Зв’язавши все разом Для дослідження Nature хіміки досліджували просту реакцію, за допомогою якої амінокислоти в найдавніших формах життя могли бути з’єднані разом у перші короткі білки (також відомі як пептиди). Реакція була опублікована раніше іншим дослідником, але ніколи не досліджувалася її здатність виробляти гомохіральні пептиди з рацемічних або майже рацемічних сумішей амінокислот. І знову хіміки зіткнулися з непереборною перешкодою: вони виявили, що при формуванні пептидних ланцюгів амінокислот реакція відбувається швидше для зв’язування лівих із правими амінокислотами — навпаки, ніж бажані гомохіральні пептиди. . Тим не менш, команда вистояла. Зрештою, вони виявили, що коли один тип амінокислоти у вихідному пулі амінокислот мав навіть помірне домінування лівосторонньої форми (як було правдоподібно в іншому дослідженні), швидша швидкість реакції для лівої на праву- Рукові зв’язки переважно виснажували праві амінокислоти, залишаючи дедалі більшу концентрацію лівосторонніх. Крім того, пептиди ліворуч-праворуч-ліворуч-праворуч мали сильнішу тенденцію злипатися разом і випадати з розчину у вигляді твердих речовин. Таким чином, ці явища, пов’язані з кінетичним розділенням, призвели до отримання напрочуд чистого розчину майже повністю лівосторонніх пептидів. На думку Блекмонда, здавалося б, парадоксальні механізми, виявлені в цих дослідженнях, пропонують перше переконливе та широке пояснення виникнення гомохіральності — пояснення, яке, ймовірно, працює не лише для амінокислот, каже вона, але й для інших фундаментальних біологічних молекул, таких як ДНК та РНК.