Molekyler har ofta en strukturell asymmetri som kallas kiralitet, vilket innebär att de kan förekomma i alternativa, spegelvända versioner som liknar vänster och höger versioner av mänskliga händer. Ett av de stora mysterierna med livets ursprung på jorden är att praktiskt taget alla biologins grundläggande molekyler, såsom byggstenarna av proteiner och DNA, uppträder i bara en kiral form.
Scripps Research kemister har i två högprofilerade studier nu föreslagit en elegant lösning på detta mysterium, som visar hur denna egenhändighet eller "homokiralitet" kunde ha etablerat sig inom biologin.
Studierna publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences och i naturen . Tillsammans antyder de att uppkomsten av homokiralitet till stor del berodde på ett kemifenomen som kallas kinetisk upplösning, där en kiral form blir rikligare än en annan på grund av snabbare produktion och/eller långsammare utarmning.
"Det har funnits många förslag på hur homokiralitet uppstod i specifika molekyler - specifika aminosyror, till exempel - men vi har verkligen behövt en mer allmän teori", säger Donna Blackmond, Ph.D., professor och John C. Martin ordförande i Institutionen för kemi vid Scripps Research, som ledde båda studierna.
Doktoranden Jinhan Yu och postdoktorn Min Deng, Ph.D., var de första författarna till de två studierna.
"Livets ursprung"-kemi har varit ett hektiskt område under stora delar av det senaste århundradet. Dess utövare har upptäckt dussintals nyckelreaktioner som troligen inträffade på den tidiga, "prebiotiska" jorden för att producera de första DNA, RNA, sockerarter, aminosyror och andra molekyler som upprätthåller liv. Att saknas i detta arbete har dock varit en rimlig prebiotisk teori för framväxten av homokiralitet.
"Det har funnits en tendens inom området att ignorera chiralitetsfrågan när man letar efter rimliga reaktioner som kunde ha skapat de första biologiska molekylerna", säger Blackmond. "Det är frustrerande för utan reaktioner som gynnar homokiralitet skulle vi inte ha liv."
Vanliga kemiska reaktioner som producerar kirala molekyler tenderar att ge lika ("racemiska") blandningar av vänster- och högerhänta former. Utanför biologi spelar denna blandning vanligtvis ingen roll, eftersom båda formerna vanligtvis har liknande eller identiska egenskaper.
Men inom biologin, som en konsekvens av omfattande homokiralitet, är det vanligtvis så att endast den vänster- eller högerhänta formen av en kiral molekyl har användbara egenskaper - den andra kan vara inert eller till och med giftig. Således styr celler ofta reaktioner för att ge specifika kirala former med hjälp av högt utvecklade enzymer.
Den prebiotiska jorden skulle dock inte ha haft sådana enzymer – så hur uppstod homokiralitet?
I sin studie i Proceedings of the National Academy of Sciences, Blackmond och hennes team tog upp detta problem för aminosyror. Dessa små organiska molekyler används som byggstenar för proteiner av alla levande varelser på jorden men existerar inom biologin i bara den vänsterhänta kirala formen.
Forskarna försökte specifikt reproducera homokiralitet i en central process i aminosyraproduktionen som kallas transaminering, genom att använda en relativt enkel, troligtvis prebiotisk kemi som utesluter komplexa enzymer.
I tidiga tester fungerade teamets experimentella reaktion och gav aminosyror som berikades för en kiral form jämfört med den andra. Problemet var att den gynnade formen var den högerhänta formen – den som biologin inte använder.
"Vi var fast ett tag, men sedan tändes glödlampan - vi insåg att vi kunde göra en del av reaktionen omvänt", säger Blackmond.
När de gjorde det gjorde reaktionen inte längre företrädesvis högerhänta aminosyror. I ett slående exempel på kinetisk upplösning, konsumerade och tömde den istället preferentiellt de högerhänta versionerna – vilket lämnade mer av de önskade vänsterhänta aminosyrorna. Det fungerade således som en rimlig väg till homokiralitet för aminosyror som används i levande celler.
För Naturen I studien undersökte kemisterna en enkel reaktion med vilken aminosyror i de tidigaste livsformerna kan ha kopplats samman till de första korta proteinerna (även kända som peptider). Reaktionen hade publicerats tidigare av en annan forskare men hade aldrig undersökts för dess förmåga att producera homokirala peptider från racemiska eller nära-racemiska blandningar av aminosyror.
Än en gång stötte kemisterna på vad som verkade vara ett oöverstigligt hinder:de upptäckte att när de bildade peptidkedjor av aminosyror, fungerade reaktionen snabbare för kopplingar mellan vänsterhänta och högerhänta aminosyror - motsatsen till de önskade homokirala peptiderna .
Ändå höll laget ut. Till slut upptäckte de att när en typ av aminosyra i startpoolen av aminosyror hade en måttlig dominans av vänsterhänta form – vilket deras andra studie gjorde rimligt – den snabbare reaktionshastigheten för vänsterhänta till höger- handed linkages utarmar företrädesvis högerhänta aminosyror, vilket lämnar en allt större koncentration av vänsterhänta.
Dessutom hade vänster-höger-vänster-höger-peptiderna en starkare tendens att klumpa ihop sig och falla ur lösningen som fasta ämnen. Dessa kinetiska upplösningsrelaterade fenomen slutade alltså med att ge en överraskande ren lösning av nästan helt vänsterhänta peptider.
För Blackmond erbjuder de till synes paradoxala mekanismerna som avslöjats i dessa studier den första övertygande och breda förklaringen till framväxten av homokiralitet – en förklaring som förmodligen inte bara fungerar för aminosyror, säger hon, utan också för andra grundläggande biologiska molekyler som DNA och RNA.
Mer information: Jinhan Yu et al, Prebiotisk tillgång till enantioberikade aminosyror via peptidmedierade transamineringsreaktioner, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315447121
Donna Blackmond, Symmetry 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
Journalinformation: Natur , Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av The Scripps Research Institute
