چگونه “دست بودن” مولکولی در زیست شناسی اولیه پدیدار شد

شیمیدانان تحقیقاتی اسکریپس، در دو مطالعه برجسته، اکنون راه حلی ظریف برای این معمای پیشنهاد کرده اند که نشان می دهد چگونه می توان این یکسانی، یا “همسانی” را در زیست شناسی تثبیت کرد.

مطالعات در منتشر شد مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم در 5 فوریه 2024 و طبیعت در 28 فوریه 2024. آنها با هم نشان می‌دهند که ظاهر هموکایرالیته عمدتاً به دلیل پدیده‌ای شیمیایی به نام تفکیک جنبشی است که در آن یک شکل کایرال به دلیل تولید سریع‌تر و/یا کاهش آهسته‌تر نسبت به دیگری فراوان‌تر می‌شود.

دونا بلکموند، دکترا، پروفسور و جان اس. مارتین، رئیس دپارتمان، می‌گوید: «پیشنهادهای زیادی در مورد چگونگی پدید آمدن همو کایرالیته در مولکول‌های خاص – برای مثال اسیدهای آمینه خاص – ارائه شده است، اما ما واقعاً به یک نظریه کلی‌تر نیاز داشتیم. شیمی در تحقیقات اسکریپس، که هر دو مطالعه را رهبری کرد.

دانشجوی فارغ التحصیل، جینهان یو و مین دنگ، دانشجوی فوق دکترا، اولین نویسنده در هر دو مطالعه بودند.

معمای هموکایرالیته

منشاء حیات، شیمی در بیشتر قرن گذشته یک رشته شلوغ بوده است. پزشکان آن ده‌ها واکنش کلیدی را کشف کرده‌اند که احتمالاً در زمین اولیه «پری بیوتیک» برای تولید اولین DNA، RNA، قندها، اسیدهای آمینه و سایر مولکول‌های حیاتی رخ داده است. با این حال، یک نظریه پری بیوتیکی قابل قبول برای ظهور هموکایرالیته در این کار وجود ندارد.

بلکموند می‌گوید: «در این زمینه تمایلی وجود دارد که هنگام جستجوی واکنش‌های قابل قبولی که می‌توانند اولین مولکول‌های بیولوژیکی را ایجاد کنند، مشکل کایرالیته نادیده گرفته شود. این ناامیدکننده است، زیرا بدون واکنش‌هایی که به نفع هموخیرالیسم باشد، ما زندگی نخواهیم داشت.»

واکنش‌های شیمیایی معمولی که مولکول‌های کایرال را تولید می‌کنند، تمایل دارند مخلوط‌های مساوی (“راسمیک”) از اشکال چپ و راست ایجاد کنند. خارج از زیست شناسی، این اختلاط معمولاً اهمیتی ندارد، زیرا هر دو شکل معمولاً خواص مشابه یا یکسانی دارند. با این حال، در زیست شناسی، به عنوان یک پیامد همو کایرالیتی گسترده، معمولاً فقط شکل چپ یا راست یک مولکول کایرال دارای خواص مفیدی است – دیگری ممکن است بی اثر یا حتی سمی باشد. بنابراین، سلول ها اغلب با استفاده از آنزیم های بسیار تکامل یافته، واکنش ها را برای تولید اشکال کایرال خاص هدایت می کنند.

با این حال، یک زمین پری بیوتیک چنین آنزیمی نخواهد داشت – پس هومو کایرالیته چگونه بوجود آمد؟

یک نتیجه متناقض

در تحقیقات خود در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم، بلکموند و تیمش این مشکل را برای اسیدهای آمینه حل کردند. این مولکول‌های آلی کوچک به‌عنوان بلوک‌های ساختمانی برای پروتئین‌ها توسط همه موجودات زنده روی زمین استفاده می‌شوند، اما در زیست‌شناسی فقط به شکل کایرال چپ‌دست وجود دارند.

محققان به طور خاص به دنبال بازتولید هموکایرالیت در یک فرآیند مرکزی در تولید اسید آمینه به نام ترانس آمینو بودند، با استفاده از شیمی نسبتا ساده و قابل قبولی که آنزیم‌های پیچیده را حذف می‌کند.

در آزمایش‌های اولیه، واکنش آزمایشی تیم کار کرد و آمینو اسیدهایی را به دست آورد که برای یک فرم کایرال بر دیگری غنی شده بودند. مشکل این بود که شکل ترجیحی شکل مناسبی بود – شکلی که زیست‌شناسی از آن استفاده نمی‌کند.

بلکموند می‌گوید: «ما برای مدتی مسدود بودیم، اما سپس لامپ روشن شد – متوجه شدیم که می‌توانیم برخی از واکنش‌ها را به صورت معکوس انجام دهیم.

وقتی آنها این کار را انجام دادند، واکنش دیگر ترجیحاً اسیدهای آمینه راست دست تولید نمی کرد. در یک مثال حیرت‌انگیز از وضوح جنبشی، در عوض ترجیحاً نسخه‌های راست‌دست را مصرف می‌کند و آن‌ها را تخلیه می‌کند – و تعداد بیشتری از اسیدهای آمینه چپ‌دست مورد نظر را باقی می‌گذارد. بنابراین، به عنوان یک مسیر قابل قبول برای هموکایرالیتی برای اسیدهای آمینه مورد استفاده در سلول های زنده عمل می کند.

گره زدن همه به هم

برای طبیعت در این مطالعه، شیمی‌دانان واکنش ساده‌ای را بررسی کردند که در آن اسیدهای آمینه در اولین شکل‌های زندگی ممکن است با یکدیگر به اولین پروتئین‌های کوتاه (همچنین به عنوان پپتیدها) متصل شده باشند. این واکنش قبلاً توسط محقق دیگری منتشر شده بود، اما هرگز برای توانایی آن در تولید پپتیدهای هموکایرال از مخلوط های راسمیک یا نزدیک به راسمیک اسیدهای آمینه مورد بررسی قرار نگرفت.

بار دیگر، شیمیدانان با مانعی غیرقابل عبور روبرو شدند: آنها متوجه شدند که هنگام تشکیل زنجیره های پپتیدی از اسیدهای آمینه، واکنش سریعتر برای اتصال اسیدهای آمینه چپ دست به راست دست عمل می کند – برعکس پپتیدهای همو کایرال مورد نظر.

با این حال، تیم استقامت کرد. در نهایت، آنها دریافتند که وقتی یک نوع اسید آمینه در مجموعه اولیه اسیدهای آمینه، حتی یک غلبه متوسط ​​بر شکل چپ دست داشته باشد – همانطور که مطالعه دیگر آنها قابل قبول است – سرعت واکنش سریعتر برای پیوندهای چپ دست به راست دست است. ترجیحا اسیدهای آمینه راست دست را تخلیه می کند و غلظت چپ را افزایش می دهد. علاوه بر این، پپتیدهای چپ-راست-چپ-راست تمایل بیشتری به چسبیدن به هم دارند و به صورت جامد از محلول خارج می شوند. بنابراین، این پدیده‌های مرتبط با وضوح جنبشی در نهایت یک محلول خالص شگفت‌آور از پپتیدهای تقریباً کاملاً چپ‌دست به دست می‌دهند.

به گفته بلکموند، مکانیسم‌های به ظاهر متناقض که در این مطالعات یافت می‌شوند، اولین توضیح قانع‌کننده و گسترده‌ای را برای پیدایش هموکایرالیته ارائه می‌دهند – توضیحی که احتمالاً نه تنها برای اسیدهای آمینه، بلکه برای سایر مولکول‌های بنیادی زیست‌شناسی مانند DNA نیز کار می‌کند. و RNA

بودجه برای هر دو مطالعه توسط بنیاد سیمونز از طریق همکاری سیمونز در مورد منشأ حیات (SCOL 287625) و از طریق کرسی شیمی جان سی. مارتین در تحقیقات اسکریپس تامین شد.