Хиральность молекул жизни объяснили влиянием магнитных минералов

Все живые организмы на Земле состоят из L-аминокислот и D-сахаров. Зеркальные отражения этих молекул ничем от них не отличаются, однако в составе биологических молекул практически не встречаются. Такая избирательность остается одной из главных загадок жизни. Новая работа биологов из Гарвардского университета объясняет ее тем, как молекулы — предшественницы нуклеиновых кислот взаимодействовали с магнитными минералами в земной коре. Статья об этом опубликована в журнале Science Advances.

Аминокислоты, сахара — и нуклеотиды, в состав которых они входят — обладают хиральностью. Это значит, что они могут иметь две разные структуры, похожие друг на друга как зеркальные отражения или правая и левая ладони. Химически они ведут себя совершенно одинаково и в реакциях образуются в равных количествах. Однако в живых организмах встречается лишь один определенный вариант — L-аминокислоты и D-сахара. Почему жизнь (по крайней мере, земная) построена на основе именно таких молекул — загадка.

Белки, которые катализируют биологические реакции, взаимодействуют с молекулами определенной структуры. Они могут избирательно связывать один энантиомер («зеркальный» изомер), игнорируя другой. Но с чего все началось? Никакой химический механизм не мог обеспечить зарождающуюся жизнь одними энантиомерами в ущерб другим. Поэтому для объяснения этого парадокса ученые обычно обращаются к различиям в их физических свойствах. В частности, они по-разному взаимодействуют с некоторыми космическими частицами, потоки которых могли создать избыток определенных изомеров еще до появления жизни.

Кроме того, энантиомеры отличаются магнитными характеристиками. Поэтому с намагниченной поверхностью с большей вероятностью связываются лишь определенные изомеры, а при смене магнитных полюсов поверхности, наоборот, их зеркальные отражения. Новая работа Димитара Сасселова (Dimitar Sasselov) продемонстрировала такое поведение для рибо-аминооксазолина (RAO). Это предшественник двух из четырех нуклеотидов РНК, включающий остаток D- или L-сахара. Он легко кристаллизуется, и если кристалл начал расти из зародыша с определенной хиральностью, то далее он собирает те же самые энантиомеры, «игнорируя» другие.

Ученые проводили эксперименты с магнетитом — широко распространенным в земной коре железосодержащим минералом. К таким образцам прилагали мощное внешнее поле, усиливая магнитные свойства, и помещали их в раствор, содержащий смесь разных энантиомеров RAO. В таких условиях на поверхности минерала оседали преимущественно одни изомеры. Дальнейший рост кристаллов усиливал эту разницу, приводя к накоплению молекул определенной хиральности. При смене направления магнитного поля такое же преимущество получали противоположные энантиомеры.

Стоит заметить, что поля, использованные в экспериментах, в тысячи раз мощнее, чем магнитное поле Земли. Однако Сасселов и его коллеги полагают, что и более слабого действия достаточно для того, чтобы вызвать первоначальное «отклонение» в пользу одного из энантиомеров. Кроме того, в другой работе ученые показали, что кристаллы RAO сами могут усиливать магнитные свойства магнетита, на поверхности которого находятся. Это могло создать механизм с положительной обратной связью, который усиливал преимущество молекул одной хиральности. Статья об этом еще готовится к публикации и пока доступна в библиотеке препринтов arXiv.

Возможно, именно кристаллизация RAO на поверхности магнетита привела к накоплению молекул — предшественниц РНК определенной хиральности. Это могло заложить преимущество D-сахаров уже на первых этапах возникновения жизни, когда все ключевые функции выполняли именно РНК. И уже в дальнейшем, когда к делу подключились ДНК и белки, такое предпочтение естественным образом было «унаследовано» ими — и всеми живыми организмами на Земле.