地球的分子是怎么得到他们的“手性”?

俄亥俄州立大学的科学家们有了一个新的理论关于生命的基石——许多蛋白质,碳水化合物,脂类和核酸组成地球上每一个生物,可能倾向于一种特定的分子结构。

这与一个概念叫做手性。几何属性固有的某些分子手性可以决定一个分子的形状,化学反应性,以及它如何与其它物质相互作用。手性有时也被称为手性,最好可以描述为我们的手之间的二分法:虽然他们并不相同,右边,左边是彼此的镜像,并不能叠加,或完全覆盖。

ACS地球和太空化学杂志上,研究人员现在提出一个新的模型,生命的分子可能会如何发展他们的“手性”。

这种分子是正确的——或左撇子在生物化学中起着巨大的作用,在帮助人类发展尤为重要分子药物来治疗疾病,如癌症。分子在一种形式可能是人类的治疗价值,其opposite-handed双胞胎可能不活跃或造成意想不到的出生缺陷。更重要的是,自然常常表明特定的对称性,支撑所有生命只有分子被发现显示一个强烈偏爱一种构型。

最终,虽然现在手性的作用是极大的认可,没有明确的共识科学家如何这首选对称可能最初兴起,这项研究的共同作者詹姆斯·考恩说,她是位杰出的大学名誉教授在俄亥俄州立大学的化学和生物化学。

“为什么许多生命的关键分子只有一个首选偏手性是一个谜,”科恩说。”它是怎么来的,这个过程必须反映一些非常特别的关于早期化学开发的一种首选的核酸和蛋白质。”

考恩和作者R。J Furnstahl,俄亥俄州立大学的物理学教授,描述的模型中,首选的手性分子的发展演变通过基本交互称为弱核力。第二弱引力相互作用后,这种现象会导致质子衰变为中子,反之亦然。这挑战之前的思想起源地球的手性,认为它是地球上的陨石撞击后在其早期形成。相反,他们的工作是符合RNA-based化学的“RNA世界模型”核醣核酸的形成酸的一个关键步骤是所有生命的其他分子如何。

结合元素的生物学、核物理和化学,考恩和Furnstahl提供一个解释如何构建块的首选偏手性生命的进化不是来自外星分子,或通过随机的机会,但通过一个基本的自然之力,奠定了分子基础,最终会支持和影响地球上的生命。

“设想一个宇宙,那里有一个正确的手套,但没有离开手套,”科恩说。“在几百万年的时间,这种偏好特定的手变得明显,然后重复和放大,并最终占据主导地位。”

弱核力的研究得出结论,与地球上充足等金属钙、放大效应,可以像种子,影响生命起源以前的化学的方式促使首选手性出现自然的共生与其他早期的构建块。

“基础物理基础,我们的模型生成实际的首选偏手性化学成分可能导致我们今天知道的生命过程,它在某种程度上是非常令人满意的,“科恩说。

尽管他们是纯粹的理论研究,这项研究指出,使用恰当的技术,有几个方法可以证明他们的机制。对研究人员来说,不幸的是它太乏味的过程在实验室里重新创建原始的时间表。

“的生物体是基于分子,这些反应是发生在成千上万年的时间,”科恩说。“当然,我们没有那么久等在实验室里测试假说。”

虽然做了大量的化学实验可能像铀重元素的帮助下,这可能有助于产生导致几年,另一个更可行的方法来测试他们的研究可能是背后的假设用光谱学——把光分解为不同波长来研究其属性,看看附近的系外行星,试图确定分子展览有一个首选的“手性”。

“如果有一个首选偏手性,它是相同的类型,我们会观察到在地球上,那么这将是非常,非常有力的证据,自然是将生物化学的发展,“科恩说。

展望未来,他们面临的最大挑战之一在推进工作等待技术需要做这些实验赶上来,考恩说。“我们能够建立一个可行的物理机制,描述了如何进行这个过程,但下一个障碍是找到最好的方法来研究实验。”

参考:考恩杰,Furnstahl RJ。生命分子手性的起源。ACS地球化学空间。2022;6 (11):2575 - 2581。doi:10.1021 / acsearthspacechem.2c00032

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