Lærende kemiske netværk giver livet et chiralt twist

Når man holder en højre hånd foran et spejl, kan man se et reflekteret billede af en venstre hånd og omvendt. I 1848 opdagede Louis Pasteur, at organiske molekyler ligner vores hænder meget:de kommer i spejlbilleder af venstre- og højrehåndede varianter. I dag ved vi, at denne håndfasthed eller chiralitet (fra det græske ord for "hånd") er et kendetegn for organiske molekyler.

Organiske molekyler er rige på kulstofatomer, som danner bindinger for at skabe enten en højre eller venstre "nano-hånd". Alligevel, gådefuldt, vælger livet næsten altid udelukkende at bruge en af ​​de to spejlbillede-tvillinger - et fænomen kaldet homokiralitet. For eksempel er jordbaseret liv på venstrehåndede aminosyrer og højrehåndede sukkerarter.

Mens mange forklaringer blev foreslået, er det stadig en gåde, hvordan og hvorfor homokiralitet opstod. Kiral symmetribrud, som er et fænomen, hvor en blanding af venstre- og højrehåndede molekyler på 50-50 forhold afgår for at favorisere det ene frem for det andet, er af stor forskningsinteresse inden for biokemi. At forstå oprindelsen af ​​homokiralitet er yderst vigtigt for at undersøge livets oprindelse, såvel som mere praktiske anvendelser såsom syntese af chirale lægemiddelmolekyler.

En model foreslår nu en ny forklaring på fremkomsten af ​​homokiralitet i livet – et mangeårigt puslespil om livets oprindelse på Jorden.

Det er en udbredt opfattelse, at liv opstod i levesteder, der er rige på energikilder - såsom hydrotermiske åbninger i dybet af de oprindelige oceaner. I betragtning af mulige oprindelige jordscenarier forestillede prof. Tsvi Tlusty og dr. William Piñeros fra Center for blødt og levende stof i Institute for Basic Science, Sydkorea, et komplekst netværk af kemiske reaktioner, der udveksler energi med miljøet. Da holdet brugte en matematisk model og systemsimulering til at efterligne en godt omrørt opløsning af forskellige kemiske elementer i en beholder, fandt de overraskende ud af, at sådanne systemer naturligt har en tendens til at bryde den molekylære spejlsymmetri.

Homochiralitet opstår spontant i præbiotiske kemiske netværk, der tilpasser sig for at optimere energihøst fra miljøet. Tidligere mente man, at brud på chiral symmetri kræver flere løkker af autokatalyse, som i stigende grad producerer en enantiomer af et molekyle, mens den hæmmer dannelsen af ​​den anden. IBS-teamets resultater viste dog, at den underliggende mekanisme for symmetribrud er meget generel, da den kan forekomme i store reaktionssystemer med mange tilfældige molekyler og ikke kræver sofistikerede netværksarkitekturer. Det blev konstateret, at denne skarpe overgang til homokiralitet stammer fra selvkonfigurationen af ​​reaktionsnetværket for at opnå mere effektiv høst af energi fra miljøet.

Modellen udviklet af Piñeros og Tlusty viste, at stærkt dissiperende systemer og store energiforskelle er mere tilbøjelige til at inducere chiral symmetribrud. Desuden afslørede beregningerne, at sådanne overgange er næsten uundgåelige, så det er rimeligt at tro, at de generisk kan forekomme i tilfældige kemiske reaktionssystemer. Den energihøstningsoptimeringsbaserede model, som gruppen demonstrerede, forklarer således, hvordan homokiralitet spontant kunne være opstået fra det barske, energirige miljø på den tidlige planet Jorden.

Den foreslåede mekanisme til symmetribrud er generel og kan gælde for andre overgange i levende stof, der fører til øget kompleksitet.

Desuden foreslår modellen en generel mekanisme, der forklarer, hvordan kompleksiteten af ​​et system kan vokse, efterhånden som det bedre tilpasser sig til at udnytte et varierende miljø. Dette tyder på, at chiral symmetribrud er et iboende kendetegn for ethvert komplekst system (såsom liv), der er i stand til at konfigurere sig selv til at tilpasse sig et miljø. Disse fund kan desuden forklare spontane symmetribrud i meget mere komplekse biologiske processer, såsom celledifferentiering og fremkomsten af ​​nye gener.

Denne undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications . + Udforsk yderligere

Rodet præbiotisk kemi kan være nøglen til homochiralt liv