Homokiralite ve Manyetizma: Yaşam Molekülleri Neden Sadece Sol veya Sağ Elli?

1848'de Fransız kimyager Louis Pasteur, yaşam için gerekli olan bazı moleküllerin, tıpkı sol ve sağ ellerimizde olduğu gibi birbirinin "ayna görüntüsü formlarında" bulunduğunu keşfetti. Günümüzdeyse biyolojinin, moleküllerin bu "kiral" formlarından yalnızca bir tanesini tercih ettiğini biliyoruz: DNA, RNA ve bunların yapı taşlarının hepsi sadece sağ elli moleküllerden oluşurken, amino asitler ve proteinlerin tümü sol elli moleküllerden oluşuyor.

Wikimedia

Bu seçiciliğin veya "homokiralliğin" ipuçlarını gören Pasteur, bu tuhaf durumu manyetik alanların açıklayabileceğini düşündü; ancak sorunun nihai cevabı, biyolojinin en büyük gizemlerinden biri olarak kaldı. Yapılan yeni bir araştırma, Pasteur'ün gerçekten de doğru yolda olabileceğini gösteriyor.

Araştırmacılar, yayınladıkları üç yeni makalede, erken Dünya'da yaygın olan manyetik minerallerin, kilit biyomoleküllerin yüzeylerinde ayna görüntülerinden yalnızca birinin birikmesine neden olabileceğini ve sonrasında da sürekli aynı formu desteklemeye devam eden olumlu bir geri bildirimi tetikleyebileceğini öne sürüyor. Yeni çalışmayla ilgisi olmayan Chicago Üniversitesi'nden yaşamın kökeni kimyageri Jack Szostak, keşfi şöyle niteliyor:

Bu gerçekten devrimsel bir keşif! Biyolojiyi başlatmak için homokiralite esastır ve bu araştırma, homokiralitenin kökenleriyle ilgili olası, hatta muhtemelen en olası açıklamayı sunuyor.

Aslında kimyasal reaksiyonlar, kiralite konusunda genellikle tarafsızdır; yani hep eşit miktarda sağ ve sol elli moleküller üretirler. Ancak yaşam, seçicilik gerektirir: Örneğin, yalnızca sağ elli moleküllerden oluşan DNA, diğer kiral moleküllerle etkileşime girebilecek türden, doğru bir bükülmeye sahiptir. Salk Biyolojik Araştırmalar Enstitüsü başkanı ve yaşamın kökeni kimyacısı Gerald Joyce şöyle diyor:

Yaşamı elde etmek için bir nevi 'aynayı kırmanız' gerekir, yoksa ortaya yaşam çıkaramazsınız.

Geçen yüzyıl boyunca araştırmacılar, ilk biyomolekülleri üreten tepkimelerin, sağ ve sol elli biyomoleküllerden eşit miktarda üretmesi yerine, bunlardan sadece bir tanesini baskın olarak üretmesi adına, kozmik ışınlar ve polarize ışık dahil olmak üzere çok çeşitli mekanizmalar önerdiler. Bu açıklamaların her ikisi de, gerçekten de sadece sağ veya sadece sol elli molekülleri destekleyen bir ilk sapmaya neden olabilir; ancak bu ilk sapmanın, ilk hücrelerin oluşması için muhtemelen ihtiyaç duyulmuş olan büyük miktarda kiral molekül rezervlerini oluşturmak için nasıl sürdürüldüğünü doğrudan açıklayamaz. Harvard Üniversitesi'nden fizikçi ve yeni çalışmanın liderlerinden Dimitar Sasselov şöyle diyor:

Başlangıçta bir sapma yaratan her açıklama iyi bir başlangıç; ancak bu yeterli değil.

Başka bir seçeneğin var olabileceğinin ipuçları, Weizmann Bilim Enstitüsü'nde kimyasal fizikçi olan Ron Naaman liderliğindeki araştırmacıların, bir molekülün zıt kiral formlarındaki elektronların da spininin birbirine zıt olduğunu keşfettikleri 1999 yılına dayanıyor. Daha sonraki deneyler, spin farklılıklarının kiral moleküllerin manyetik malzemelerle farklı biçimlerde etkileşime girmesine neden olabileceğini ortaya çıkardı; çünkü bu etkileşimler sırasında manyetik kuvvetler oluşturmak için elektron spinleri hizalanıyordu. Örneğin, Naaman ve meslektaşları sol elli peptidlerin (kısa amino asit zincirleri) manyetik bir yüzeye bağlandığını, ancak sağ elli peptitlerin aynı yüzeyden itildiğini keşfettiler. Ancak bu bulgu da başlangıçtaki yanlılığın nasıl sürdürülebildiğini ve zamanla arttırılabildiğini açıklamaya yetmedi.

2009'da, bu "kiralite amplifikasyonunu" izah edebilecek bir mekanizmanın izlerine rastlandı: Manchester Üniversitesi'nden Matthew Powner ve John Sutherland liderliğindeki araştırmacılar, birçok araştırmacının hayatın kökeninde merkezi bir oyuncu olduğunu düşündüğü RNA'nın olası kökenlerini araştırıyorlardı. RNA'nın iki nükleotit yapı taşını oluşturmak için reaksiyona girebileceğini keşfettikleri ribo-aminooksazolin (RAO) adlı bir molekül ilgilerini çekmişti. RAO, tek bir kiralite uygulayan, nadir bir kristal sınıfıdır: Bir kristal, molekülün sağ veya sol elli versiyonlarından büyümeye başladığında, yalnızca aynı kiraliteye sahip moleküller bu büyüyen yapıya bağlanabilir. Bu tür kristaller, başlangıçtaki bir eğilimle başlasalardı, kiral RAO'nun oluşmasına neden olabilirdi.

Şimdi, Sselov ve meslektaşları bu iki parçayı bir araya getirdiler. Manyetik yüzeylerin tek bir RAO kiral formunu destekleyip desteklemediğini merak ettiler. Bunu aydınlatmak için, Dünya'nın kabuğunda yaygın olarak bulunan manyetik bir mineral olan manyetite yöneldiler. Güçlü bir dış manyetik alan uygulayarak manyetitte elektron spinlerini hizaladılar ve manyetizmasını güçlendirdiler. Manyetit yüzeyini, sağ ve sol elli RAO moleküllerinin eşit karışımını içeren bir çözeltiye maruz bıraktıklarında, üstüne yerleşen moleküllerin %60'ının tek elli olduğunu gördüler. Araştırmacıların Science Advances'ta bildirdiğine göre, bu, benzer elli RAO'ların bağlanmasına neden olan ve sonunda saf tek elli RAO kristalleri oluşturan kristal bir tohum yarattı.^[1] Manyetik alanın yönünü değiştirdiklerinde ve deneyi tekrarladıklarında, tam tersi yönlü kristaller şekillendi. Şu anda University College London'da olan Powner şöyle diyor:

Bu gerçekten harika bir etki ve simetriyi kırmanın bir yolu!

Santa Cruz'daki California Üniversitesi'nden fizikçi olan ve yaşamın kiral eğiliminin kaynağının kozmik ışınlar olduğunu iddia eden Noémie Globus ise uyarıyor:

Uygulanan manyetik alan, Dünya'nın kendi alanından yaklaşık 6500 kat daha güçlü. Bunlar, hiç de gerçekçi olmayan koşullar.

Ancak önceki çalışmalar, yalnızca Dünya'nın doğal manyetik alanına maruz kalan manyetitin, kiral bir molekülün bir biçimine karşı daha küçük olsa da başlangıçta bir sapmaya neden olabileceğini gösteriyor. Ve Sasselov ve meslektaşları, arXiv'de yayınladıkları bir ön baskıda, manyetitin üstüne saf kiral RAO kristalleri yerleştirildiğinde, kristallerdeki elektron spinlerinin hizalanmasının, alttaki manyetik malzemede giderek daha fazla elektron spinini hizalamaya zorladığını ve bunun da olumlu bir geri besleme döngüsü yaratabildiğini gösterdiler.^[2] Harvard'da doktora öğrencisi olan ekip üyesi Furkan Öztürk şöyle diyor:

Bu sistem kendi kendini geliştiriyor ve kiralite yanlılığının kalıcılığını artırıyor.

Kiral RAO, ürettiği RNA yapı taşlarına da kiralitesini dayatır ve Sasselov'un ekibi, bu etkilerin diğer biyolojik moleküllere de kademeli olarak yayıldığını gösterdi. The Journal of Chemical Physics'te kabul edilen bir raporda, kiral RNA fazlalığı oluştuğunda, bilinen kimyasal reaksiyonların bu kiral yanlılığı aktarabildiğini, böylece amino asitleri ve proteinleri ters elle şablonlayarak ve nihayetinde hücre metabolizması için önemli olan diğer kiral molekülleri besleyebileceğini gösterdiler.^[3] Szostak, şöyle söylüyor:

Önerilen bu mekanizmanın yapabildiği gibi, bütün sorunları tek seferde çözebilen başka hiçbir çözüm önerilemedi.

Pasteur ile başlayan macera henüz bitmedi. Sasselov'un söylediğine göre RAO, RNA'nın dört nükleotidinden yalnızca ikisinin, sitozin ve urasilin sentezini mümkün kılıyor. Diğer ikisini, yani adenin ve guanini henüz üretemediler; ancak Sasselov bunu yapabilecek RAO reaksiyonlarını arama yolunda "büyük bir baskı" olduğunu söylüyor. Eğer yapabilirlerse, biyolojik elliliğin (kiralitenin) gizeminin çözümüne bir adım daha yaklaşabiliriz.