1848년, 루이 파스퇴르는 젊은 화학자였을 때, 우유를 살균하는 방법을 발견하기까지 아직 몇 년이 남았을 때, 산업 화학자가 와인을 너무 오랫동안 끓였을 때 우연히 형성되는 결정에 대해 특이한 것을 발견했습니다. 결정의 절반은 와인 통의 벽에서 자연적으로 자라는 산업적으로 유용한 소금인 타르타르산이었습니다. 다른 결정들은 정확히 같은 모양과 대칭을 갖고 있었지만 한쪽 면은 반대 방향을 향하고 있었습니다.

그 차이가 너무 뚜렷해서 파스퇴르는 핀셋을 사용하여 돋보기 렌즈 아래에서 결정을 분리할 수 있었습니다. 그는 그 해 한 논문에 이렇게 썼습니다. “그들은 거울 속의 이미지가 실제와 어떤 관계인지 서로 관련되어 있습니다.”

파스퇴르는 그 사실을 몰랐지만, 그 포도주의 결정화된 찌꺼기 속에서 그는 지구상 생명의 기원에 관한 가장 심오한 신비 중 하나를 우연히 발견했습니다.

그가 본 것은 우주에서 동일한 원자 구성과 거울상 배열을 가진 주석산 분자의 혼합물이었습니다. 그들은 나중에 "손"을 뜻하는 그리스어 단어를 따서 "키랄성"이라고 불리는 특성을 가졌습니다. 우리의 왼손과 오른손이 서로 대칭적으로 반대되는 것처럼, 타르타르산 분자의 왼손과 오른손 버전(또는 거울상 이성질체)도 다음과 같습니다. 뚜렷하고 동등하지 않습니다.

파스퇴르 관찰의 중요성은 키랄성 발견을 넘어서는 것이었습니다. 그가 그것을 본 놀라운 이유도 있었습니다. 합성 결정은 타르타르산 거울상 이성질체의 혼합물이었습니다. 끓는 과정을 통해 왼손잡이와 오른손잡이 버전이 동일한 수로 형성될 수 있었기 때문입니다. 그러나 와인통의 천연 결정에서 모든 타르타르산 분자는 오른쪽 방향이었습니다. 왜냐하면 살아있는 포도나무에서 수확한 와인에 사용되는 포도는 거울상 이성질체만을 만들었기 때문입니다.

키랄성은 우리가 알고 있는 생명의 특징입니다. 생화학자들은 살아있는 세포가 키랄 분자를 사용할 때 하나의 키랄성을 독점적으로 사용한다는 사실을 계속해서 발견했습니다. 예를 들어, DNA를 구성하는 당은 모두 오른쪽 방향입니다. 단백질을 구성하는 아미노산은 모두 왼손잡이입니다. 잘못된 거울상 이성질체가 의약품에 유입되면 그 효과는 때때로 독성이 있거나 심지어 치명적일 수 있습니다.

생명의 역사 초기에 어떤 사건이나 일련의 사건이 생화학자들의 표현대로 “거울을 깨뜨려” 생명을 분자 비대칭 상태에 빠뜨렸음에 틀림없습니다. 과학자들은 생명이 왜 동형키이럴이 되었는지, 그리고 그것이 꼭 일어날 필요가 있었는지, 아니면 순전히 우연인지에 대해 토론해 왔습니다. 키랄 선호는 우주에서 도착하는 편향된 분자 샘플에 의해 초기 생명체에 깊은 인상을 받았습니까, 아니면 오른손잡이와 왼손잡이의 동일한 부분으로 시작된 혼합물에서 어떻게든 진화했습니까?

“과학자들은 이 관찰에 대해 혼란스러워했습니다.”라고 말했습니다. 수미트라 아타베일, 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교 유기화학 조교수. "그들은 수년에 걸쳐 온갖 종류의 제안을 내놓았지만 실제로 지질학적으로 관련 있는 제안을 내놓는 것은 어렵습니다." 더욱이, 많은 이론들이 한 유형의 분자가 동형키럴이 되는 이유를 설명할 수 있지만, 그 중 어느 것도 전체 생체분자 네트워크가 동질키럴이 되는 이유를 설명하지 못했습니다.

최근 하버드 대학의 한 그룹은 생명체의 동질 카이랄성이 어떻게 나타나는지에 대한 흥미로운 해결책을 제시하는 일련의 논문을 발표했습니다. 그들은 행성의 자기장에 의해 대전된 원시 지구의 수역에 있는 광물의 자기 표면이 어떤 형태의 분자를 다른 것보다 더 많이 끌어당기는 "키랄 물질" 역할을 하여 키랄성을 증폭시키는 과정을 시작했을 수 있다고 제안합니다. RNA 전구체부터 단백질 및 그 이상에 이르는 생물학적 분자. 그들이 제안한 메커니즘은 특정 분자 구성의 편향이 생명을 유지하는 광범위한 키랄 화학 네트워크를 생성하기 위해 어떻게 외부로 퍼져 나갈 수 있었는지 설명할 것입니다.

이것은 유일하게 그럴듯한 가설은 아니지만 “지구물리학을 지구화학, 생물 이전 화학, [그리고] 궁극적으로는 생화학과 연결시키기 때문에 가장 멋진 가설 중 하나입니다.”라고 말했습니다. 제럴드 조이스, 생화학자이자 연구에 참여하지 않은 Salk Institute의 회장입니다. 그는 또한 가설이 '실제 실험'에 의해 뒷받침되고 있으며 '현실적인 조건에서 이를 수행하고 있다'는 점에 깊은 인상을 받았습니다.

CISS 효과

동종키성에 관한 새로운 이론의 뿌리는 거의 XNUMX년 전으로 거슬러 올라갑니다. 론 나아만이스라엘 와이즈만 과학연구소 화학물리학 교수팀은 키랄 분자의 중요한 효과를 발견했습니다. 그들의 연구는 전자가 두 가지 주요 특성을 가지고 있다는 사실에 초점을 맞췄습니다. 전자는 음전하를 가지고 있고 고유한 시계 방향 또는 시계 반대 방향 회전과 유사한 양자 특성인 "스핀"을 가지고 있습니다. 분자가 다른 분자 또는 표면과 상호 작용할 때 전자는 스스로 재분배되어 목적지에서 음전하를 생성하고 시작점에서 양전하를 생성하여 분자를 분극화할 수 있습니다.

나아만과 그의 팀은 키랄 분자가 스핀 방향에 따라 전자를 필터링한다는 사실을 발견했습니다. 하나의 스핀 방향을 가진 전자는 키랄 분자를 통해 다른 방향보다 한 방향으로 더 효율적으로 이동할 것입니다. 반대 스핀을 갖는 전자는 다른 방향으로 더 자유롭게 움직입니다.

이유를 이해하려면 복도 벽에서 눈에 띄는 프리스비를 던지는 것을 상상해 보십시오. 프리스비가 오른쪽 벽에 부딪히면 시계 방향으로 회전하는 경우에만 앞으로 튕겨 나옵니다. 그렇지 않으면 뒤로 튕겨 나올 것입니다. 왼쪽 벽에 프리스비를 치면 반대 현상이 발생합니다. 마찬가지로, 키랄 분자는 “회전 방향에 따라 전자를 산란시킨다”고 Naaman은 말했습니다. 그와 그의 팀은 이 현상을 키랄 유발 스핀 선택성(CISS) 효과라고 명명했습니다.

이러한 산란으로 인해 주어진 스핀을 가진 전자는 결국 키랄 분자의 한 극에 모이게 됩니다(그리고 분자의 오른쪽 버전과 왼쪽 버전은 각각의 극에서 반대 스핀을 모읍니다). 그러나 스핀의 재분배는 반대 방향으로 회전하는 전자가 서로 끌어당기고 같은 방향으로 회전하는 전자는 서로 밀어내기 때문에 키랄 분자가 자기 표면과 상호 작용하는 방식에 영향을 미칩니다.

결과적으로 키랄 분자가 자성 표면에 접근할 때 분자와 표면이 반대 스핀 바이어스를 가지면 키랄 분자가 더 가까이 당겨집니다. 스핀이 일치하면 서로 밀어냅니다. (다른 화학적 상호작용도 진행되기 때문에 분자는 단순히 뒤집혀서 스스로 재정렬될 수 없습니다.) 따라서 자성 표면은 키랄 물질로 작용하여 우선적으로 화합물의 하나의 거울상 이성질체와 상호 작용할 수 있습니다.

2011년, 나아만과 그의 팀은 독일 뮌스터 대학교 팀과 협력하여 스핀을 측정했다 전자가 이중 가닥 DNA를 통해 이동하면서 CISS 효과가 실제적이고 강력하다는 것을 확인했습니다.

Naaman은 그 효과에 대한 연구가 "호황을 누리기 시작했다"고 말했습니다. 예를 들어, 그와 그의 팀은 CISS 효과를 사용하여 생물 의약품에서 불순물을 제거하거나 약물에서 잘못된 거울상 이성질체를 제외하여 주요 부작용을 방지하는 여러 가지 방법을 개발했습니다. 그들은 또한 CISS 효과가 다음을 설명하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 탐구했습니다. 마취의 메커니즘.

그러나 그들은 천문학자가 이끄는 하버드 팀의 가설에 대한 공동 작업에 초대받은 후에 CISS 효과가 생물학적 동질성의 상승에 영향을 미친다는 생각에 대해 진지하게 연구하기 시작했습니다. 디미타르 사셀로프 그리고 그의 대학원생 S. 푸르칸 오즈투르크.

물리학의 관점

최근 논문의 젊은 수석 저자인 오즈투르크(Ozturk)는 2020년 하버드 물리학 대학원생이었을 때 동질키성 문제를 접했습니다. 극저온 원자를 사용한 양자 시뮬레이션 연구에 만족하지 못한 그는 세계에서 가장 큰 미스터리 125개를 자세히 설명하는 과학 잡지를 넘기며 동종키성에 대해 배웠습니다.

“대칭에 관한 문제이기 때문에 정말 물리학 문제처럼 보였습니다.”라고 그는 말했습니다. Harvard의 Origins of Life Initiative 책임자이자 이미 동질키성 문제에 관심이 있었던 Sasselov에게 연락한 후 Ozturk는 그의 연구실에서 학생이 되기로 전환했습니다.

Ozturk와 Sasselov는 곧 CISS 효과를 기반으로 한 아이디어를 생각해 냈습니다. 그들은 자성 광물로 가득 찬 표면이 있고 물에는 뉴클레오티드에 대한 키랄 전구체의 혼합물이 포함되어 있는 얕은 호수와 같은 원시 환경을 상상했습니다. 그들은 자외선이 자기 표면에서 많은 전자를 방출할 수 있으며, 그 전자 중 다수가 동일한 스핀을 가졌을 것이라는 이론을 세웠습니다. 방출된 전자는 특정 거울상 이성질체와 우선적으로 상호작용했을 수 있으며, 결과적인 화학 반응은 우선적으로 오른손잡이 RNA 전구체를 조립했을 수 있습니다.

2022년 XNUMX월, 오즈투르크는 가설을 검증할 수 있다는 전망에 감격하여 이스라엘에 있는 나아만의 연구실을 방문했습니다. 그의 흥분은 오래 가지 못했습니다. 다음 달에 나아만과 함께 일하면서 그 생각은 무너졌습니다. Ozturk는 그것이 "효과가 없었다"고 말했고, 그래서 그는 낙담한 채 집으로 돌아왔습니다.

그러나 Ozturk는 또 다른 아이디어를 가지고있었습니다. CISS 효과가 화학적 과정이 아닌 물리적 과정으로 나타난다면 어떨까요?

나아만의 그룹은 거울상 이성질체를 우선적으로 결정화하기 위해 자기 표면을 사용할 수 있음을 보여주었습니다. 그리고 결정화는 정제된 거울상 이성질체 컬렉션을 조립하는 가장 쉬운 방법이 될 것입니다. Ozturk는 다음과 같이 언급했습니다. 존 서덜랜드, 영국 MRC 분자 생물학 연구소의 공동 연구원인 Sutherland는 "그리고 나는 전자와 관련된 모든 것을 버리고 결정화에만 집중하라고 말했습니다."라고 말했습니다.

Sutherland는 결정화 측면에 흥미를 느꼈습니다. 그와 그의 팀은 이미 RAO(리보-아미노옥사졸린)라는 RNA 전구체가 RNA의 XNUMX가지 구성 요소 중 XNUMX가지를 합성할 수 있다는 사실을 독립적으로 발견했기 때문입니다. RAO는 또한 "아름답게 결정화됩니다"라고 Sutherland는 말했습니다. 일단 표면에 끌리는 거울상 이성질체로부터 결정 종자가 형성되면, 결정은 동일한 거울상 이성질체를 더 많이 통합함으로써 우선적으로 성장합니다.

Ozturk는 Sutherland가 CISS 효과 아이디어가 성공하면 "게임 오버"가 될 것이라고 말했던 것을 기억합니다. Ozturk는 “너무 간단했기 때문입니다.”라고 말했습니다. "생명 화학의 기원에 매우 핵심적인 분자에 대해 이 작업을 수행하고 있었기 때문에 해당 분자를 동종키성으로 만들 수 있다면 전체 시스템을 동종키성으로 만들 수 있습니다."

Ozturk는 Harvard 연구소에서 일하게 되었습니다. 그는 자철석 표면을 페트리 접시에 놓고 동일한 양의 왼손잡이 및 오른손잡이 RAO 분자를 포함하는 용액으로 채웠습니다. 그런 다음 그는 접시를 자석에 올려 놓고 실험을 냉장고에 넣은 다음 첫 번째 결정이 나타날 때까지 기다렸습니다. 처음에 팀은 크리스탈의 60%가 단독으로 제작된 것임을 발견했습니다. 이 과정을 반복한 결과, 결정의 키랄성은 100% 동일했습니다.

그들이 지난 XNUMX월에 발표한 연구에서 보고한 바와 같이 과학의 발전, 표면을 한 방향으로 자화하면 순전히 오른손잡이인 결정이 생성됩니다. 반대 방향으로 자화하면 수정은 순전히 왼손잡이였습니다. Ozturk는 "나는 효과가 없는 실험에 대해 매우 잘 알고 있기 때문에 매우 놀랐습니다."라고 말했습니다. 그러나 이것은 "매력처럼 작동했습니다."

Ozturk는 그의 책상 뒤에 Sasselov와 팀이 축하 만찬에서 공유했던 빈 샴페인 병을 보관합니다.

곱하고 증폭하기

그러나 그들은 여전히 ​​큰 문제를 안고 있었습니다. 그들이 실험에 사용한 자석은 지구 자기장보다 약 6,500배 더 강했습니다.

그래서 오즈투르크는 지난 50월 바이츠만 연구소로 돌아왔고 그와 나아만은 외부 자기장을 전혀 사용하지 않는 후속 실험을 진행했습니다. 대신에 그들은 키랄 분자가 자기 표면에 흡착될 때 표면 위에 지구 자기장보다 최대 XNUMX배 강한 국지적인 자기장이 생성된다는 사실을 발견했습니다. 그들의 연구 결과는 동료 검토 저널에 의해 승인되었지만 아직 출판되지 않았습니다.

Joyce는 “이웃이 자기화되도록 강요하고 있어 결정이 계속 형성되기가 더 쉬워졌습니다.”라고 Joyce는 말했습니다. 그 자체 영속 효과는 시나리오를 그럴듯하게 만든다고 그는 덧붙였습니다.

Athavale도 이에 동의합니다. CISS 효과가 발생하기 위해 높은 자기장이 필요하지 않다는 사실은 “이제 가능한 지질학적 환경을 보았기 때문에 정말 좋은 것”이라고 그는 말했습니다.

그러나 동질키성을 생성하는 실제 열쇠는 상호작용하는 분자 네트워크를 통해 효과가 어떻게 증폭될 수 있는지 살펴보는 것입니다. Sasselov는 "이 모든 것의 가장 중요한 측면은 우리가 키랄 생성물을 얻을 수 있는 또 다른 방법을 찾았다는 것이 아니라 그의 그룹이 동종키랄 네트워크를 만드는 경로를 찾았다는 것입니다."라고 말했습니다.

표지에 실린 논문에서 화학 물리학 저널 10월에 Ozturk, Sasselov 및 Sutherland는 키랄 정보가 프리바이오틱스 네트워크를 통해 어떻게 전파될 수 있는지에 대한 모델을 제안했습니다. 서덜랜드와 그의 그룹은 이전에 아미노산과 결합하여 리보솜으로 가져와 단백질을 만드는 오른손 전달 RNA 분자의 유사체가 오른손 아미노산보다 XNUMX배 더 빠르게 왼손 아미노산과 연결된다는 사실을 보여주었습니다. 이번 발견은 키랄 RNA가 자연에서 볼 수 있듯이 반대 키랄성의 단백질을 우선적으로 만든다는 것을 시사합니다. 연구자들은 논문에서 다음과 같이 썼습니다. “따라서 생물학적 동질성 문제는 단일 공통 RNA 전구체(예: RAO)가 동질성 키랄성을 만들 수 있도록 보장하는 수준으로 축소될 수 있습니다.”

이번 연구에서는 생명체가 선호하는 뉴클레오티드가 오른향이고 아미노산이 왼손인 이유를 직접적으로 설명하지 못했다고 Ozturk는 말했습니다. 그러나 이러한 새로운 발견은 결정적인 요인이 지구 자기장에 의해 유도된 자화였다는 것을 시사합니다. Athavale은 결정화 과정이 100개의 원시 호수에서 발생하더라도 지구의 자기장은 혼합물이 아닌 동일한 방향의 전구체를 모두 생성하도록 보장할 것이라고 지적했습니다.

Joyce는 자기장이 그러한 편향을 준다면 "멋진 작은 비틀림"이 있다고 지적했습니다. 생명체가 북반구에서 시작하여 한 방향으로 분자를 선호했다면, 남반구에서 발생했다면 반대 방향을 보였을 것입니다.

Athavale은 분자군 사이의 키랄성 전파는 여전히 매우 가설적이지만 사람들이 생각하게 만드는 데 도움이 된다고 지적했습니다. Sasselov도 이에 동의합니다. “이 논문의 아이디어는 사람들이 이러한 실험을 하도록 동기를 부여하는 것입니다.”라고 그는 말했습니다.

마 웬타오중국 우한대학교 생명의 기원 연구자인 그는 새로운 논문이 “흥미로운 진전”이라고 말했다. 그러나 그는 CISS 효과가 RNA의 중합으로 이어지는 것을 보고 그것을 완전한 답으로 볼 필요가 있을 것입니다. "만약 그들이 이 결과를 얻을 수 있다면 우리는 해결책에서 멀지 않다고 생각합니다"라고 그는 말했습니다.

"나는 CISS 효과를 정말 좋아한다"고 말했다. 노에미 글로부스, 동질성 문제를 연구하고 있는 천체물리학자입니다. 그녀는 더 설득력 있는 것은 연구원들이 특정 방향의 아미노산을 과도하게 포함하는 운석(이전에 발견된)에도 과도한 자성 입자가 포함되어 있는지 확인하는 것이라고 말했습니다. 그녀는 또한 서로 다른 이론화된 메커니즘이 모두 서로 다른 분자에서 동질키성을 생성했을 수 있다고 지적했습니다.

제프리 바다캘리포니아 대학교 샌디에이고 스크립스 해양학 연구소의 명예 교수인 그는 이 아이디어에 회의적입니다. 그는 최초의 자가 복제 분자로서 원시 조건에서 RNA가 합성될 수 있다고 믿지 않습니다. “생물학적 이전 환경에서 RNA를 만든 사람은 아무도 없습니다”라고 그는 말했습니다. 왜냐하면 분자의 안정성에는 문제가 너무 많기 때문입니다.

Sutherland 팀은 다른 두 가지 유형의 뉴클레오티드가 RNA 전구체 분자에서 만들어질 수 있음을 보여주기 위해 계속 노력하고 있습니다. “내 생각엔 우리가 꽤 가까워진 것 같아요.” 서덜랜드가 말했다. "그러나 우리 그룹은 내가 22년 동안 그렇게 말해 왔다고 말할 것입니다."

CISS 효과가 솔루션을 나타내든, 솔루션의 일부를 나타내든, 아니면 전혀 솔루션이 아니든 간에 이를 테스트하기 위한 분명한 다음 단계가 있습니다. Athavale은 “창의적이고 실행 가능하며 궁극적으로 테스트할 수 있는 것을 생각해내는 멋진 가설의 모든 측면을 갖추고 있습니다.”라고 말했습니다. 그는 가장 설득력 있는 다음 단계는 그 과정이 실험실 밖에서 일어날 수 있다는 지질학적 증거를 보여주는 것이라고 생각합니다.

Zoom 통화를 통해 Ozturk는 자신의 실험을 재현하기를 희망하는 자성 철 암석으로 가득 찬 호주 여행에서 집어든 평평한 검은 암석을 들고 있었습니다. 그는 또한 이 아이디어에 대한 향후 테스트를 더욱 역동적으로 만들고 싶어합니다. 초기 분자가 형성되었다고 생각하는 원시 호수에는 물질의 흐름과 흐름뿐만 아니라 비와 고온에 의해 발생하는 자연적인 "습식-건식" 순환이 있었을 것이라고 생각합니다. 결정이 형성되고 용해되고, 형성되고 용해될 수 있습니다.

편집자 주 : Sasselov와 그의 그룹, Joyce와 Sutherland는 시몬스 재단, 또한 이것에 자금을 지원합니다 편집 독립 잡지. Simons Foundation 기금 결정은 당사의 보장에 영향을 미치지 않습니다.