Держа правую руку перед зеркалом, можно увидеть отражение левой руки и наоборот. В 1848 году Луи Пастер обнаружил, что органические молекулы очень похожи на наши руки: они представляют собой зеркальные пары лево- и правосторонних вариантов. В настоящее время мы знаем, что эта хиральность (от греческого слова «рука») является отличительной чертой органических молекул.
Органические молекулы богаты атомами углерода, которые образуют связи, создавая либо правую, либо левую «наноруку». Тем не менее, как ни странно, жизнь почти всегда предпочитает использовать исключительно одного из двух зеркальных близнецов - явление, называемое гомохиральностью. Например, земная жизнь основана на левовращающих аминокислотах и правовращающих сахарах.
Хотя было предложено много объяснений, как и почему возникла гомохиральность, остается загадкой. Нарушение хиральной симметрии, представляющее собой явление, при котором смесь левых и правых молекул в соотношении 50:50 отходит в пользу одной по сравнению с другой, представляет большой исследовательский интерес в биохимии. Понимание происхождения гомохиральности очень важно для изучения происхождения жизни, а также для более практических применений, таких как синтез хиральных молекул лекарств.
- Модель предлагает новое объяснение возникновения гомохиральности в жизни – давняя загадка о происхождении жизни на Земле.
Принято считать, что жизнь зародилась в местах, богатых источниками энергии, таких как гидротермальные жерла в глубинах первобытных океанов. Рассматривая возможные сценарии изначальной Земли, профессор Цви Тласти и доктор Уильям Пиньерос из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук Южной Кореи представили сложную сеть химических реакций, которые обмениваются энергией с окружающей средой. Когда команда использовала математическую модель и системное моделирование для имитации хорошо перемешанного раствора различных химических элементов в контейнере, они неожиданно обнаружили, что такие системы естественным образом имеют тенденцию нарушать молекулярную зеркальную симметрию.
- Гомохиральность возникает спонтанно в пребиотических химических сетях, которые адаптируются для оптимизации сбора энергии из окружающей среды.
Ранее считалось, что нарушение хиральной симметрии требует множественных петель автокатализа, в результате которых один энантиомер молекулы все чаще образуется, а другой ингибируется. Однако результаты группы IBS показали, что основной механизм нарушения симметрии очень общий, поскольку он может происходить в больших реакционных системах со многими случайными молекулами и не требует сложных сетевых архитектур. Было обнаружено, что этот резкий переход к гомохиральности связан с самоконфигурацией реакционной сети для достижения более эффективного сбора энергии из окружающей среды.
Модель, разработанная Пиньеросом и Тласти, показала, что сильно рассеивающие системы и большие разности энергий более склонны к нарушению киральной симметрии. Кроме того, расчеты показали, что такие переходы почти неизбежны, поэтому разумно полагать, что они могут вообще происходить в случайных системах химических реакций. Таким образом, модель, основанная на оптимизации сбора энергии, продемонстрированная группой, объясняет, как гомохиральность могла спонтанно возникнуть в суровых, богатых энергией условиях ранней планеты Земля.
- Предложенный механизм нарушения симметрии является общим и может применяться к другим переходам в живой материи, которые приводят к увеличению сложности.
Более того, модель предлагает общий механизм, который объясняет, как сложность системы может возрастать по мере того, как она лучше адаптируется к изменяющейся среде. Это говорит о том, что нарушение киральной симметрии является неотъемлемым признаком любой сложной системы (например, жизни), которая способна конфигурировать себя, чтобы адаптироваться к окружающей среде. Кроме того, эти открытия могут объяснить спонтанные нарушения симметрии в гораздо более сложных биологических процессах, таких как дифференцировка клеток и появление новых генов.
Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.