homochirality的起源

生命存在于无助的形式。不对称碳原子导致分子手性——两种镜像形式的可能性。几乎所有手性分子在生物中发现的只是一种形式:专门右旋糖,氨基酸左撇子和DNA线圈为右手螺旋。一些认为这single-handedness或homochirality复制分子的形成是一个先决条件,导致所有的生命。但最大的问题是我们如何无助的世界发展的原始化学汤同时具有左、右撇子?通常被称为“打破的镜子”,乍一看问题似乎微不足道,但化学家还不了解它的发生而笑。

碳原子的存在有四个化学取代基不同会导致手性分子,与重叠镜像形式称为立体异构体。在任何化学合成,没有干预,几乎等于或外消旋混合物的左旋和右旋分子形式。所以我们homochiral世界是从哪里来的?

唐娜Blackmond来自美国加州斯克里普斯研究所,已经解决这个问题。她说有一个理由为什么homochirality可能提供一种生存优势。手性是重要的用于创建复杂系统与不同形式的分子识别和选择性——这两个在生活中是至关重要的。Blackmond说当她给孩子们谈话时,她用握手来解释这些概念。我们握手然后我说“让我试一试我的左手和右手”,不工作很好。左和右不同样的握手或给出同样的消息。

没有homochirality,没有生活

第一个实验确认关键有机分子的生活可以创建从一个原始汤,大约40亿年前,斯坦利·米勒1953年的经典实验¹电火花,模拟闪电,创造了有机分子从水、甲烷、氨和氢。他设法产生11的20个天然氨基酸-但都产生同样在左和右撇子形式。

今天,RNA世界假设在很大程度上是接受:DNA自我复制的RNA分子的前体的继承方式,因为它们是简单的合成。在2009年,约翰·萨瑟兰,然后在英国曼彻斯特大学的,表明化学单位可以聚合来制造RNA分子开始可以从合理的生命起源以前的合成:氰氨化,cyanoacetylene,乙醇醛,甘油醛和无机磷酸盐。²但是这仍然需要只使用甘油醛糖的右撇子版本创建正确的生物制品。

与立体异构体存在,RNA无法聚合。根据Blackmond,有人说“没有homochirality,就没有生活”,到目前为止,似乎是真的。最大的症结是什么被称为对映体cross-inhibition,³或者是什么杰拉尔德·乔伊斯开玩笑地称生物学的“原始syn”。

乔伊斯,也在斯克里普斯,创造了20多年前这个词来描述为什么只有无助的化学可以构建生物聚合物如RNA,为什么相反递给分子分段装配。“事实证明如果你一无所有,但一方面,化学复制机制很好,”他说,但事情出错时是两个手性的构建块。他们基本上毒药彼此的聚合。

核酸cross-inhibition是因为开始聚合通过匹配碱基对。传入的单体与每个糖添加到支柱和基础配置反。但是乔伊斯解释说,如果一个糖存在相反的手性单体,然后骨干碱基对和债券,它必须添加基地syn配置,创建一个构象,块进一步聚合。说,然后显示结束了乔伊斯。真的是原始syn可以追溯和必须克服在某种程度上——而不是通过神的干预,但通过化学。

所以鉴于外消旋生命起源以前的世界,我们得到RNA如何?人们过去认为,在这种鸡和蛋的问题:你不能打破镜子直到你生物学,但你需要打破镜子让生物学开始。现在正在寻找一个方法,使对称性破坏——创建从non-chiral homochiral产品原料。

提出了一种理论模型对对称打破在1950年代由英国物理学家查尔斯·弗兰克建议在自催化反应,催化剂产品为自己的形成,任何小随机不对称的产品将被放大,将提供一种提高一方面。反应,证实这个想法只是发现在1995年由日本化学家Kenso Soai。⁴他的嘧啶基醛催化烷基化与dialkylzincs是催化的手性醇产品。给定一个很小的过剩的产品在一个手性,最终产生的反应会更比它的镜像形式——高达91%。这给了实验证明的概念,Blackmond说,但指出了一个大缺陷:“实际的化学不是prebiotically相关。

清澈的手性

另一种方法是看结晶的影响。观察到晶体可以homochiral回到路易·巴斯德,谁在1848年发现,化学合成铵酒石酸钠形成两种镜像水晶,他可以分成两堆。伊莱亚斯Vlieg荷兰内梅亨大学的曾与Blackmond和其他开发homochirality通过这条路线。2014年,他出版了一本方法做出homochiral胺沉淀和反复结晶产品。

“从我的角度来看这几乎是最简单的单一手性的机制,“Vlieg说。在固态你真的可以有放大的手征对称性破缺,并从0至100%。的奥斯特瓦尔德成熟的过程,这是因为,随着时间的推移,小晶体往往自发地再沉积成较大的区域,这是热动力更有利。这是你经常看到当清理旧实验室橱柜,Vlieg说。通常你会发现一个惊喜:一些美丽的水晶,永远奥斯特瓦尔德成熟——这可能需要很长时间,但最终你最终得到的单晶。

天然氨基酸能隔绝不自然的手的糖,放大发生

Vlieg和他的同事们反应非手性原料生产同等混合物的左,右撇子胺产品,但这种变化与结晶。⁵他们使用这一过程被称为Viedma成熟,这一现象在2005年首次报道地质学家克里斯托瓦尔Viedma。⁶通过不断磨几天的晶体在溶液中可以加快奥斯特瓦尔德成熟。你可以在一个简单的单锅homochirality得到100%,“Vlieg说。温度循环似乎有类似的效果,但该方法只适用于分子左旋和右旋版本分别使具体化,这并非总是如此。Vlieg说,他们现在正试图做同样的过程,一种氨基酸,但事实证明它是更加困难。

Blackmond认为是不够找到方法,创建一个单一手性产品从非手性原料,反应必须提供一个与各种分子的方法,可能是出现在生命起源以前的世界。2011年,她找到了一种方法采取萨瑟兰的路线RNA,但单一手性分子。她的路线从外消旋甘油醛和制造RNA前体分子2-aminooxazole仍然需要一个手性氨基酸。⁷她的动态分辨率的方法通过创建一个反应,一种分子可以比其他反应更快。你需要一些手性与他们不同,我们开发了“Blackmond说。

她的反应效果最好的左撇子l-amino酸脯氨酸。使用超过1% l形式,可以产生手性纯度100%的产品。这个过程是可行的,因为l-amino酸反应速度不同的两个立体异构体甘油醛。l-amino酸的l-sugar反应更快,在恶唑反应,产生一种homochiral三分量的产品。也出现了类似的偏好与右旋分子酸和d-sugar。

说,这是一个神奇的反应Blackmond。”原来,氨基酸隔绝的自然手不自然的糖,反之亦然,这就是放大。因此,糖可以用来放大氨基酸对映体过量,或氨基酸可以用来放大糖。真正的鸡肉或鸡蛋…、鸡蛋或鸡!“Blackmond表明最初形成的丰富氨基酸可以通过一个结晶的过程。这可能是所有这些贡献一点在很长一段时间。”

打破了镜子

伦敦大学的化学家马修·波纳曾与萨瑟兰在合成prebiotically似是而非的RNA前体和继续发展合成策略来解释早期的化学演化。他说理解homochirality仍然是完全没有解决。那里是一个很不错的想法,但他们已经充分展现出来。“我们也不知道对称的阶段了。做了一次或多次发生在许多小池塘吗?与浓缩增加是一个循序渐进的过程开发的化学步骤?波纳说,一个基本问题是l -氨基酸之间的关系和e糖生物学——他们的构象只是意外,或者是一些基本的化学反应造成的转移从一个到另一个手性?

也许镜子没有打破,而不是一方面的战斗,也许一个另一个

手性不是绝对的生物学中,波纳所指出的那样。例如,单糖l-arabinose发现在植物生物聚合物从植物细胞壁果胶、半纤维素等。单细胞古生菌利用l-glycerol磷脂膜,这是相反的手性d-glycerol用于构建细菌和真核细胞膜。这可能意味着,homochirality并非总是如此。“也许这就是进化军备竞赛的一部分——开始使用其他不认识的东西,给你一个进化优势,”波纳说。

两种类型的手性的可能性存在化学演化的早期阶段也出现在乔伊斯从最近的工作。⁸他表明,可以创建一个核糖酶- RNA酶,可以复制的cross-chiral镜像本身没有任何的帮助蛋白质或其他细胞组件。“没有人见过一种酶在自然界,另一只手,我们只是想知道它是可能的,”乔伊斯解释道。核糖酶是由一个复杂的化学试管演化过程。右撇子RNA分子最成功加入镜像左撇子RNA链被选中。这个过程被重复多次放大的成功复制机制,最终建立一个83 -核苷酸酶性核酸。

乔伊斯发现与左-右撇子RNA核糖酶工程在“原始syn”问题。这可以解释早期化学进化?也许你没有打破镜子,,而不是一方面的战斗,一方面可能使其他”乔伊斯说。但在某些时候homochiral化学做了起来。乔伊斯提出进化创新的开端多肽可能导致右撇子RNA合成手性心态占据主导地位。

一个抽奖

另一个好奇是为什么一面镜子成为主流。为什么生物糖右旋和左旋氨基酸,而不是一切被反过来?我们一样可以生活在一个世界由一个镜像的生物学今天好吗?没有真正的原因应该是首选,“Vlieg说。“可能有一颗行星在某处会有完全相反的手性。

某个地方有一个幸运的抛硬币给D-sugar一个很大的优势

这只是抽签的运气,”Blackmond表示同意。有人认为,暴露于极化辐射引起的不平衡。“宇宙不是完全对称的:在β衰变中有一个轻微的不对称和电子的自旋稍不对称,”乔伊斯解释道。但这些影响太小,不足以解释化学当其他更大、能量差异在起作用。“这毫无意义——轻微的物理化学家不对称只是淹没;和生物学家更有意义,因为生物学家是用来思考抛硬币,某处有一个幸运的抛硬币给了d-sugar-containing版本一个很大的优势。”

乔伊斯说现在的兴奋是试图使不同形式的生活更好地理解homochirality的起源。”领域走向是人造生命形式——不把我们的生命和碎片拼凑在一起以一种不同的方式,这就是通常所指的“合成生物学”——但我的意思是一个新的合成一个真正不同的生物。乔伊斯说,因为他的出版cross-chiral RNA核糖酶在2014年,他的团队已经进化一个运行良好的版本。遗传学家乔治教堂哈佛大学在美国一直试图创建一个完整的镜像细胞。

如果硬币翻了另一种方式,也许我们可能会生活在一个镜像世界里,分子生物学由l糖和酸。我们可以区分吗?乔伊斯说,这是一个纯粹的理论问题:“即使你又开始用同样的手,最终我们会在不同的地方。但如果硬币翻转在完全相反的方式和所有手性逆转,他说没有理由似乎都不会相同。乔伊斯说,在最近的一次讲座的加州大学,伯克利,他展示了一幅校园钟楼,但以镜像形式是否有人注意到差别。“令人惊讶的是困难让人们知道他们正在看普通的或者镜像。在这种情况下,你看右边的钟面,九和三在左边,但没人注意到它。如果所有的硬币翻转一样都是相同的除了9是在右边和左边的三个会!”

瑞秋巴西是一个基于科学作家在伦敦,英国