Hvordan molekylær handedness opstod i den tidlige biologi

Molekyler har ofte en strukturel asymmetri kaldet chiralitet, hvilket betyder, at de kan optræde i alternative, spejlbillede-versioner, der ligner venstre og højre versioner af menneskelige hænder. Et af de store mysterier om livets oprindelse på Jorden er, at stort set alle de grundlæggende molekyler i biologien, såsom byggestenene af proteiner og DNA, optræder i kun én chiral form.

Scripps Research-kemikere har i to højprofilerede undersøgelser nu foreslået en elegant løsning på dette mysterium, der viser, hvordan denne egenhændige eller "homokiralitet" kunne være blevet etableret i biologien.

Undersøgelserne blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences og i Naturen . Sammen antyder de, at fremkomsten af ​​homokiralitet i høj grad skyldtes et kemifænomen kaldet kinetisk opløsning, hvor en chiral form bliver mere udbredt end en anden på grund af hurtigere produktion og/eller langsommere udtømning.

"Der har været mange forslag til, hvordan homokiralitet opstod i specifikke molekyler - specifikke aminosyrer, for eksempel - men vi har virkelig haft brug for en mere generel teori," siger Donna Blackmond, Ph.D., professor og John C. Martin Chair i Institut for Kemi ved Scripps Research, som ledede begge studier.

Kandidatstuderende Jinhan Yu og postdoc-forsker Min Deng, Ph.D., var de første forfattere til de to undersøgelser.

Gåden om homokiralitet

"Livets oprindelse"-kemi har været et travlt felt i det meste af det sidste århundrede. Dets praktiserende læger har opdaget snesevis af nøglereaktioner, der sandsynligt fandt sted på den tidlige, "præbiotiske" Jord for at producere de første DNA'er, RNA'er, sukkerarter, aminosyrer og andre molekyler, der opretholder liv. Manglende fra dette værk har imidlertid været en plausibel præbiotisk teori for fremkomsten af ​​homokiralitet.

"Der har været en tendens i feltet til at ignorere chiralitetsproblemet, når man leder efter plausible reaktioner, der kunne have lavet de første biologiske molekyler," siger Blackmond. "Det er frustrerende, for uden reaktioner, der favoriserer homokiralitet, ville vi ikke have liv."

Almindelige kemiske reaktioner, der producerer chirale molekyler, har en tendens til at give lige store ("racemiske") blandinger af venstre- og højrehåndede former. Uden for biologien er denne blanding typisk ligegyldig, da begge former normalt har lignende eller identiske egenskaber.

Inden for biologien er det dog, som en konsekvens af omfattende homokiralitet, almindeligvis tilfældet, at kun den venstre- eller højrehåndede form af et chiralt molekyle har nyttige egenskaber - den anden kan være inert eller endda giftig. Således styrer celler ofte reaktioner for at give specifikke chirale former ved hjælp af højt udviklede enzymer.

Den præbiotiske Jord ville dog ikke have haft sådanne enzymer - så hvordan opstod homokiralitet nogensinde?

Et paradoksalt resultat

I deres undersøgelse i Proceedings of the National Academy of Sciences, Blackmond og hendes team behandlede dette problem for aminosyrer. Disse små organiske molekyler bruges som byggesten til proteiner af alle levende ting på Jorden, men eksisterer i biologien kun i den venstrehåndede chirale form.

Forskerne søgte specifikt at reproducere homokiralitet i en central proces i aminosyreproduktionen kaldet transaminering ved at bruge en relativt enkel, plausibelt præbiotisk kemi, der udelukker komplekse enzymer.

I de tidlige tests virkede holdets eksperimentelle reaktion og gav aminosyrer, der var beriget til en chiral form i forhold til den anden. Problemet var, at den foretrukne form var den højrehåndede form – den som biologien ikke bruger.

"Vi sad fast i et stykke tid, men så tændte pæren - vi indså, at vi kunne gøre en del af reaktionen omvendt," siger Blackmond.

Da de gjorde det, lavede reaktionen ikke længere fortrinsvis højrehåndede aminosyrer. I et slående eksempel på kinetisk opløsning forbrugte og udtømte den i stedet fortrinsvis de højrehåndede versioner - hvilket efterlod flere af de ønskede venstrehåndede aminosyrer. Det fungerede således som en plausibel vej til homokiralitet for aminosyrer brugt i levende celler.

Binder det hele sammen

For Naturen undersøgelse, udforskede kemikerne en simpel reaktion, hvormed aminosyrer i de tidligste livsformer kunne være blevet forbundet til de første korte proteiner (også kendt som peptider). Reaktionen var blevet offentliggjort tidligere af en anden forsker, men var aldrig blevet undersøgt for dens evne til at producere homochirale peptider fra racemiske eller næsten racemiske blandinger af aminosyrer.

Endnu en gang løb kemikerne ind i, hvad der så ud til at være en uoverstigelig hindring:De opdagede, at ved dannelsen af ​​peptidkæder af aminosyrer virkede reaktionen hurtigere for koblinger af venstrehåndede med højrehåndede aminosyrer - det modsatte af de ønskede homochirale peptider .

Alligevel holdt holdet ud. I sidste ende opdagede de, at når en type aminosyre i startpuljen af ​​aminosyrer havde en moderat dominans af den venstrehåndede form - som deres anden undersøgelse gjorde plausibelt - den hurtigere reaktionshastighed for venstrehåndede-til-højre- håndledde bindinger udtømte fortrinsvis højrehåndede aminosyrer, hvilket efterlader en stadig større koncentration af venstrehåndede.

Derudover havde venstre-højre-venstre-højre peptiderne en stærkere tendens til at klumpe sammen og falde ud af opløsningen som faste stoffer. Disse kinetiske opløsningsrelaterede fænomener endte således med at give en overraskende ren opløsning af næsten helt venstrehåndede peptider.

For Blackmond tilbyder de tilsyneladende paradoksale mekanismer, der er afdækket i disse undersøgelser, den første overbevisende og brede forklaring på fremkomsten af ​​homokiralitet - en forklaring, der sandsynligvis ikke kun virker for aminosyrer, siger hun, men også for andre fundamentale biologiske molekyler såsom DNA og RNA.

Flere oplysninger: Jinhan Yu et al., Præbiotisk adgang til enantioberigede aminosyrer via peptid-medierede transamineringsreaktioner, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315447121

Donna Blackmond, Symmetri breaking and chiral amplification in prebiotic ligation reactions, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07059-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07059-y

Journaloplysninger: Natur , Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af The Scripps Research Institute