Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
När man håller en högerhand framför en spegel kan man se en reflekterad bild av en vänsterhand och vice versa. 1848 upptäckte Louis Pasteur att organiska molekyler är ungefär som våra händer:de kommer i spegelbildspar av vänster- och högerhänta varianter. Nuförtiden vet vi att denna handenhet eller chiralitet (från det grekiska ordet för "hand") är ett kännetecken för organiska molekyler.
Organiska molekyler är rika på kolatomer, som bildar bindningar för att skapa antingen en höger eller en vänster "nanohand". Ändå, förbryllande nog, väljer livet nästan alltid att uteslutande använda en av de två spegelbildade tvillingarna – ett fenomen som kallas homokiralitet. Till exempel är det jordiska livet baserat på vänsterhänta aminosyror och högerhänta sockerarter.
Även om många förklaringar föreslogs är hur och varför homokiralitet uppstod en gåta. Kiral symmetribrott, som är ett fenomen där en blandning av vänster- och högerhänta molekyler i förhållandet 50-50 avgår för att gynna den ena framför den andra, är av stort forskningsintresse inom biokemi. Att förstå ursprunget till homokiralitet är mycket viktigt för att undersöka livets ursprung, såväl som mer praktiska tillämpningar som syntesen av kirala läkemedelsmolekyler.
En modell föreslår nu en ny förklaring till framväxten av homokiralitet i livet – ett långvarigt pussel om livets ursprung på jorden.
Det är allmänt trott att livet har sitt ursprung i livsmiljöer rika på energikällor - som hydrotermiska öppningar i djupet av urhav. Med tanke på möjliga urjordsscenarier, föreställde Prof. Tsvi Tlusty och Dr. William Piñeros från Center for Soft and Living Matter vid Institutet för grundläggande vetenskap, Sydkorea, ett komplext nätverk av kemiska reaktioner som utbyter energi med miljön. När teamet använde en matematisk modell och systemsimulering för att emulera en väl omrörd lösning av olika kemiska element i en behållare, upptäckte de överraskande att sådana system naturligt tenderar att bryta den molekylära spegelsymmetrin.
Homokiralitet uppstår spontant i prebiotiska kemiska nätverk som anpassar sig för att optimera energiskörd från miljön. Tidigare trodde man att kiral symmetribrytning kräver flera slingor av autokatalys, vilket i allt högre grad producerar en enantiomer av en molekyl samtidigt som den hämmar bildandet av den andra. IBS-teamets resultat visade dock att den underliggande mekanismen för symmetribrott är mycket generell, eftersom den kan förekomma i stora reaktionssystem med många slumpmässiga molekyler och inte kräver sofistikerade nätverksarkitekturer. Det visade sig att denna skarpa övergång till homokiralitet härrör från reaktionsnätverkets självkonfiguration för att uppnå mer effektiv utvinning av energi från miljön.
Modellen som utvecklats av Piñeros och Tlusty visade att system med hög spridning och stora energiskillnader är mer benägna att inducera kiral symmetribrott. Dessutom avslöjade beräkningarna att sådana övergångar nästan är oundvikliga, så det är rimligt att tro att de generiskt kan förekomma i slumpmässiga kemiska reaktionssystem. Således förklarar den energiinsamlingsoptimeringsbaserade modellen som demonstreras av gruppen hur homokiralitet spontant kunde ha uppstått från den hårda, energirika miljön på den tidiga planeten Jorden.
Den föreslagna mekanismen för symmetribrytning är generell och kan tillämpas på andra övergångar i levande materia som leder till ökad komplexitet.
Dessutom föreslår modellen en generell mekanism som förklarar hur komplexiteten i ett system kan växa när det bättre anpassar sig för att utnyttja en varierande miljö. Detta tyder på att kiral symmetribrott är ett inneboende kännetecken för alla komplexa system (som liv) som kan konfigurera sig för att anpassa sig till en miljö. Dessa fynd kan dessutom förklara spontana symmetribrott i mycket mer komplexa biologiska processer, såsom celldifferentiering och uppkomsten av nya gener.
Denna studie publicerades i tidskriften Nature Communications . + Utforska vidare
