Biomolekyler som aminosyror och sockerarter förekommer i två spegelbildsformer – i alla levande organismer finns dock bara en. Varför det är så är fortfarande oklart. Forskare vid Empa och Forschungszentrum Jülich i Tyskland har nu hittat bevis för att samspelet mellan elektriska och magnetiska fält kan vara orsaken till detta fenomen.
Livets så kallade homokiralitet – det faktum att alla biomolekyler i levande organismer bara förekommer i en av två spegelbildsformer – har förbryllat ett antal vetenskapliga ljuskällor, från upptäckaren av molekylär kiralitet, Louis Pasteur, till William Thomson ( Lord Kelvin) och Nobelpristagaren Pierre Curie.
En avgörande förklaring saknas fortfarande, eftersom båda formerna har till exempel samma kemiska stabilitet och inte skiljer sig från varandra i sina fysikalisk-kemiska egenskaper. Hypotesen att samspelet mellan elektriska och magnetiska fält skulle kunna förklara preferensen för den ena eller andra spegelbildsformen av en molekyl – så kallade enantiomerer – dök upp tidigt.
Det var dock bara för några år sedan som de första indirekta bevisen dök upp för att de olika kombinationerna av dessa kraftfält verkligen kan "särskilja" mellan de två spegelbilderna av en molekyl. Detta uppnåddes genom att studera interaktionen mellan kirala molekyler och metalliska ytor som uppvisar ett starkt elektriskt fält över korta avstånd.
Ytorna på magnetiska metaller som järn, kobolt eller nickel tillåter alltså att elektriska och magnetiska fält kombineras på olika sätt – magnetiseringens riktning är helt enkelt omvänd, från "North up-South down" till "South up-North down".
Om samspelet mellan magnetism och elektriska fält faktiskt utlöser "enantioselektiva" effekter, så borde också styrkan i interaktionen mellan kirala molekyler och magnetiska ytor skilja sig till exempel – beroende på om en högerhänt eller vänsterhänt molekyl "sätter sig" på ytan.
Och detta är verkligen fallet, som ett team av forskare ledda av Karl-Heinz Ernst från Empas Surface Science and Coating Technologies-labb och kollegor vid Peter Grünberg-institutet vid Forschungszentrum Jülich i Tyskland rapporterade i tidskriften Advanced Materials .
Teamet täckte en (icke-magnetisk) kopparyta med små, ultratunna "öar" av magnetisk kobolt och bestämde riktningen för magnetfältet i dessa med hjälp av spin-polariserad scanning tunneling mikroskopi; som tidigare nämnts kan denna löpa i två olika riktningar vinkelrätt mot metallytan:norr upp eller söder upp. De deponerade sedan spiralformade kirala molekyler – en 1:1 blandning av vänster- och högerhänta heptahelicenmolekyler – på dessa koboltöar i ultrahögt vakuum.
Sedan räknade man "helt enkelt" antalet höger- och vänsterhänta helicenmolekyler på de olika magnetiserade koboltöarna, nästan 800 molekyler totalt, återigen med hjälp av skanningstunnelmikroskopi. Och se och håll:Beroende på magnetfältets riktning hade den ena eller andra formen av helicenspiralerna bestämt sig.
Dessutom visade experimenten att urvalet – preferensen för den ena eller andra enantiomeren – inte bara sker under bindningen på koboltöarna, utan redan i förväg.
Innan molekylerna tar sin slutliga (föredragna) position på en av koboltöarna, migrerar de långa sträckor över kopparytan i ett betydligt svagare bundet prekursortillstånd i "sökande" efter en idealisk position. De är bara bundna till ytan av så kallade van der Waals-krafter. Dessa orsakas bara av fluktuationer i det elektroniska skalet av atomer och molekyler och är därför relativt svaga. Att även dessa påverkas av magnetism, d.v.s. elektronernas rotationsriktning (spin) var inte känt än så länge.
Med hjälp av scanning tunneling mikroskopi kunde forskarna också lösa ett annat mysterium, som de rapporterade i tidskriften Small i november 2023. Elektrontransport—dvs. elektrisk ström – beror också på kombinationen av molekylär handenhet och magnetisering av ytan.
Beroende på den bundna molekylens handedness flyter elektroner med en spinnriktning företrädesvis - eller "tunnel" - genom molekylen, vilket betyder att elektroner med "fel" spin filtreras bort. Denna kiralitetsinducerade spinselektivitet hade redan observerats i tidigare studier, men det förblev oklart om en ensemble av molekyler är nödvändig för detta eller om enskilda molekyler också uppvisar denna effekt.
Ernst och hans kollegor har nu kunnat visa att enskilda helicenmolekyler också uppvisar CISS-effekten. "Men fysiken bakom detta är fortfarande inte förstått", medger Ernst.
Empa-forskaren tror också att hans fynd så småningom inte helt kan svara på frågan om livets chiralitet. Med andra ord frågan som Nobelpristagaren i kemi och ETH-kemist Vladimir Prelog beskrev som "ett av de första problemen inom molekylär teologi" i sin Nobelprisföreläsning 1975.
Men Ernst kan föreställa sig att i vissa ytkatalyserade kemiska reaktioner – som de som kunde ha ägt rum i den kemiska "ursoppan" på den tidiga jorden – kunde en viss kombination av elektriska och magnetiska fält ha lett till en stadig ackumulering av en form eller någon annan av de olika biomolekylerna – och därmed i slutändan till livets handenhet.
Mer information: Mohammad Reza Safari et al, Enantioselective Adsorption on Magnetic Surfaces, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202308666
Tillhandahålls av Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
