Siūlomas atsakymas į vieną iš didžiausių gyvybės paslapčių: kodėl visa gyvybė tokia šališka? Ar tai kosmoso poveikis ar paslaptis fundamentalesnė?

Gyvybei keistenybių netrūksta. Pažvelkime į narvalus, ir vabzdžius, primenančius medžio lapus su kojomis. Ar išsprogtakiai kalmarai, su kraupiai nesimetriškomis akimis: viena geltona ir milžiniška, o kita mėlyna ir mažutė. Tačiau turbūt nieko keistesnio nėra už pačios gyvybės pagrindo šališkumą.

Visos biologinės molekulės turi įgimtą „rankiškumą“: jos gali būti dviejų veidrodinių formų, kaip dešinė ir kairė ranka. Bet Žemės gyvybė visoms naudojamoms molekulėms renkasi vieną formą. Kitokių molekulių gyvuose padaruose praktiškai nė nė nebūna.

Kodėl gyvybės statybiniai blokai tokie vienarankiai? Trumpas atsakymas – nežinome. Kai kas spėja, kad dešiniarankių ir kairiarankių molekulių pasirinkimą nulėmė kažkokie įvykiai kosmose; kiti mano, kad tai nutiko sekliuose prebiotiniuose tvenkiniuose, kur, kaip kartais spėjama, užsimezgė gyvybė Žemėje. Tačiau dabar vienas tyrėjas teigia atskleidęs pirmąją labiau įtikimo atsakymo užuominą – ne tik galinčią paaiškinti, kas sudaužė gyvybės veidrodį, bet ir suteikti geresnį supratimą, kodėl vienos molekulių formos pasirinkimas išliko per milijardus gyvybės evoliucijos metų.

Atsakymas glūdi ne tolimame kosmose ar priešistoriniuose laikuose, bet kvantinėje materijos prigimtyje. Ir naujausi atradimai rodo netikėtą jos įtaką gyvybės blokams ir gali kartą ir visiems laikams išspręsti veidrodžio paslaptį, kuo smulkiausiai atskleisdami fundamentaliausių biologinių procesų veikimą.

Louis Pasteur molekulių „chirališkumą“ – nuo graikiško „rankiškumas“ – atrado 1848 metais. Tyrinėdamas vyno rūgšties kristalus, jis pastebėjo, kad kai kurie yra vienas kito veidrodiniai atvaizdai. Jis kristalus suskirstė į kairiarankius ir dešiniarankius. O per juos pašviesta poliarizuota šviesa pasisuko priešingomis kryptimis. „Nėra abejonės, kad atomai susigrupavę asimetriškai, ir šios grupės neatitinka jų veidrodinio atvaizdo“ rašė jis

Ne visos molekulės yra chirališkos, bet dauguma bent kiek sudėtingesnių – yra (žr. „Įdomusis chirališkumas”). Dabar žinome, kad gyvybę sudarančios molekules būna išimtinai dešininio arba kairinio chirališkumo: tarkime, RNR ir DNR pagrindą sudarantys cukrūs visada būna dešininio chirališkumo, tuo tarpu baltymus sudarančios aminorūgštys gamtoje būna tik kairinio chirališkumo.

„Ar gyvybės šališkumas iš pradžių buvo įspaustas organinėse molekulėse kosmose, prieš joms nukrentant ant Žemės paviršiaus?”

Taip pat išsiaiškinome, kad šis „homochirališkumas“ vaidina esminį vaidmenį, vienoms molekulėms atpažįstant kitas. Tarkime, aminorūgštims jungiantis į baltymus, ar kai molekulėms reikia atpažinti vienai kitą, kad galėtų sureaguoti ar perduoti žinutę ląstelėje, jų chirališkumas lemia jų formų suderinamumą. Šia prasme netinkamo chirališkumo molekulių susitikimas primintų keistą rankos paspaudimą tarp kairės ir dešinės rankos.

Klausimas, kaip gyvybė tapo homochirališka, ir kodėl tokia liko, tinkamo atsakymo niekada nerado. Pasteras ieškojo užuominų magnetizme ir šviesoje, bet galiausiai nutarė, kad jo pastangos bergždžios. Naujesniais laikais kai kurie chemikai spėjo esant kosmoso įtaką. Jie iškėlė mintį, kad kosmoso spinduliavimas galėjo įspausti pradinį šališkumą kosmose susidariusiose pradinėse organinėse molekulėse, prieš joms pasiekiant Žemės paviršių su meteoritais.

Ši spinduliavimo idėja remiasi tuo, kad šviesa turi chirališkumą primenančią savybę: jos bangos gali suktis pagal laikrodžio rodyklę ir atvirkščiai. Tad, daryta prielaida, kad kosmoso regionuose, kur dauguma fotonų sukasi į vieną pusę, šviesa tokį posūkį galėjo perduoti apšviečiamoms organinėms molekulėms. „Naudojame tai kaip chiralinį leistuką,“ sako Uwe Meierhenrich, Nicos universiteto Sophia Antipolis Prancūzijoje chemikas. Šią hipotezę parėmė eksperimentai sinchrotroniniame dalelių greitintuve Paryžiuje, kur Meierhenrichas su kolegomis sėkmingai perkėlė fotonų asimetriją į aminorūgštis simuliuotame kometos lede.

Komanda buvo užsidegusi atlikti bandymus Europos kosmoso agentūros Rosetta misijoje, kuri nusiuntė zondą į 67P/Churyumov-Gerasimenko kometą 2014. Planuota aptikti molekules ir patikrinti ar jų chirališkumas yra šališkas. Bet zondui sumaišius viršų su apačia, nusileisti nepavyko, tad ir ledo, kuriame mokslininkai tikėjosi rasti sudėtingų molekulių, gręžimo teko atsisakyti. „Žinoma, buvome šiek tiek nepatenkinti,“ prisimena Meierhenrichas.

Tačiau net jeigu pavyktų tai įrodyti, šviesos nulemto organinių molekulių chirališkumo idėja nepaaiškintų, kodėl šis fenomenas po pradinio simetrijos pažeidimo išliko taip ilgai. Ko gero labiausiai tikėtiną scenarijų sukūrė Donna Blackmond iš Scripps Research instituto Kalifornijoje. Remdamasi darbu, rodančiu, kaip sukurti genetinę RNR molekulę, Blackmond ir jos komanda pademonstravo, kad pridėjus į pradinį mišinį daugiau vienodo chirališkumo aminorūgšties, tai paveikia ir cukrus, sukuriama daugiau gamtoje esančių dešinio chirališkumo versijų.

Visa tai implikuotų, kad chirališkumas buvo tiesiog atsitiktinis disbalansas, kuris įsitvirtino biologijoje. Jis sukūrė sistemą, kaip molekulės atitinka viena kitą ir tiek. „Kai atsiranda veikiantis procesas, jis tiesiog veikia,“ sako Blackman. Ir tai geriausias turimas atsakymas: homochirališkumas buvo užkonservuotas, nes veikia.

Tačiau, panašu, amžiuose, skiriančiuose pradinį simetrijos pažeidimą ir mums dabar pažįstamą gyvybę, kažko trūksta. Komplementarių, viena kitą papildančių, formų modelis, apibrėžiantis kaip molekulės „spaudžia rankas“, negali iki galo paaiškinti, kodėl evoliucija išravėjo „neteisingo rankiškumo“ molekules. Bėda, kad negalime nukeliauti laiku atgal, tad, belieka spekuliuoti kas nutiko. O pastangos šią spragą užpildyti nelabai reikšmingesnės, nei mojavimas rankomis, sako Blackmond. „Atsiranda daugybė žmonių, turinčių labai tvirtą įsitikinimą, kas nutiko, nes niekas negali įrodyti, kad jie klysta.“

Naujas posūkis

Ron Naaman iš Weizmanno instituto Izraelyje mano, kad jo idėja tokia nėra. Jo karjera iš esmės buvo skirta chemijos fizikai ir elektronikai, ir jo žygis į biologiją prasidėjo nuo fundamentaliųjų dalelių. Jis iškėlė hipotezę, siūlančią visapusiškesnį, įtikinamesnį paaiškinimą, kodėl gyvybė yra tokia griežtai homochirališka.

Elektronai yra neigiamai įelektrintos dalelės, suklijuojančios atomus ir molekules, kurių judėjimas valdo chemines reakcijas. Kaip ir fotonams, jiems būdingas kampinis momentas, „sukinys“, grubiai tariant, sukimasis į vieną ar kitą pusę. Kad ši savybė gali būti kažkaip susijusi su molekulių chirališkumu, Naamanas suprato praėjusio amžiaus dešimtajame dešimtmetyje, kai vokiečių fizikai elektronais apšaudė iš kamparo šeimos medžio išgarintas molekules. Jie pastebėjo, per molekules perėjusių elektronų sukinių disbalansą: elektronai, besisukantys į vieną pusę, per kairinio chirališkumo molekules perėjo lengviau, nei per kairinio chirališkumo molekules, tuo tarpu priešingo sukino elektronai lengviau sklisdavo per dešino chirališkumo molekules.

Ši asimetrija buvo mažutėlė, bet kai Naamanas panašų eksperimentą atliko su aminorūgštimis, sulygiuotomis ant paviršiaus, o ne garuose, efektas buvo ryškesnis. „Tiesą sakant, toks efektas mane džiugino,“ prisimena jis. „Bet viso to implikacijų nesupratau.“

Naamanui galvosūkio taškai jungtis pradėjo, kai elektronais apšaudė kitas chirališkas molekules, tarp kurių ir DNR. Jis išvydo, kaip elektronai, skriejantys išilgai grąžtą primenančios dešininės DNR spiralės filtruojami taip, kad daugumos kitame gale išskriejančių elektronų sukinys yra toks pats. Tai nebuvo tik mažas nuokrypius. „Tai buvo didelis skaičius,“ sako Naamanas. „Tai buvo daugiau nei 60 procentų, o tai išties stulbina.“

Šis efektas, vadinamasis chirališkumo sukeltas sukinio selektyvumas (chiral-induced spin selectivity – CISS), susilaukė didelio dėmesio, tiesa, labiausiai – dėl jo potencialo spintronikoje. Ir nors iš pradžių jis nustebino, dabar jokių abejonių nebėra. „Naamanas ir kiti atliko daug eksperimentų ir jie visą laiką pavykdavo,“ pažymi Dimitar Sasselov, astrofizikas iš Harvardo universiteto. Vėliau Naamanas efektą pademonstravo ir su baltymais.

Chiral-Induced Spin Selectivity Effect

Per kelis pastaruosius metus Naamanas dar pradėjo svarstyti CISS efekto reikšmę biologijai. Pirmiausia, tai suteikia išsamesnį vaizdą, kaip biologinės molekulės viena kitą atpažįsta, mano jis. Naamanas spėja, kad per chirališkas molekules judantys elektronai, artėdami vienas prie kito, sukuria molekulėse krūvio skirtumą, galintį padėti joms išsirikiuoti ir susijungti. Pavyzdžiui, dėl elektronų judėjimo grąžto pavidalo molekulių galuose susikaupia skirtingo ženklo krūviai. Jie traukia kitos molekulės priešingą – labiau teigiamą krūvį turintį – kitos molekulės galą. Jei to nebūtų, teorinis sąveikos stipris būtų per menkas, lyginant su tuo, kas matuojama. Jo manymu, būtent tai ir užtikrina standartinį „spynos ir rakto“ stiliaus biologinį atpažinimą, mano jis.

Be to, Naamanas teigia, kad CISS efektas gali paaiškaninti kitą fundamentalų gyvybės aspektą – kodėl biologiniai procesai, kuriuose elektronams reikia pereiti per molekulių grandines, veikia taip gerai. Biologus ilgai kamavo itin efektyvus fotozintezės – augaluose vykstančios cheminės reakcijos, kuria šviesos energiją paverčiama cukrų energija – proceso deguonies kūrimo žingsnis. Naamano nuomone, chirališki baltymai gali veikti kaip šio proceso metu perduodamų elektronų laidai, užtikrinantys, kad elektronai neįstrigs ir taip nesunaikins baltymo. Todėl CISS efektas gali lemti, kodėl „fotosistemoje kiekvienas pradėjęs judėti elektronas pasiekia paskirties tašką, kas labai stebina“, sako Naamanas. Tad, nieko keisto, kad kai jis su komanda paleido elektronus per vieną iš svarbiausių fotosintezės baltymų, sukinio filtravimo efektas buvo stiprus.

„Jei šis efektas paaiškina, kodėl taip gerai veikia biologiniai varikliai, jis galėtų paaiškinti ir gyvybės chirališkumo išsaugojimą”

Atvirkštinis sukinys

Elektronų transportas svarbus ne tik fotosintezei. Jis yra esminė ir kito energijos gavimo proceso, būdingo visoms gyvybės formoms – kvėpavimo – dalis. Jei dėl CISS efekto šie du biologijos varikliai veikia taip gražiai, kaip tvirtina Naamanas, jis galėtų užpildyti ir mūsų supratimą apie tai, kodėl homochirališkumas išliko – net jei ir nepaaiškina, kodėl gyvybė pakrypo kairėn su aminorūgštimis ir dešinėn – su cukrais. „Nemanau, kad galėtume atsakyti, kodėl šis chirališkumas yra būtent toks,“ sako jis. „Bet galiu atsakyti, kodėl chirališkumas yra. Kadangi chirališkumas padeda daugeliui procesų, tokių, kaip atpažinimas ir elektronų perdavimas. Taigi, šia prasme, aišku, kokia evoliucinė homochirališkumo prasmė.“

Kitiems šis santykis nėra toks aiškiai nubrėžtas. „Šis ryšys su biologija yra labai įdomus,“ sutinka Matt Fuchter iš ICL. „Bet manau, nėra visiškai aišku, ar CISS reikšmė yra fundamentaliai svarbi.“ Kalbant apie energiją gyvybei teikiančius elektronų transporto procesus, negalime daryti prielaidos, kad didesnis efektyvumas chirališkose molekulėse būtent skatino gyvybės homochirališkumą – tai galėjo būti jau nusistovėjusios tvarkos pasekmė, aiškina jis.

Bet Naamano teiginys apie homochirališkumo prigimtį vien tuo neapsiriboja. Pernai jis su kolegomis pademonstravo atvirkštinį CISS efektą, kuomet vykstant cheminei reakcijai ne molekulės filtruoja elektronus, o tam tikro sukinio elektronai filtruoja molekulių chirališkumą. Iš to seka, kad elektronai, o ne žvaigždžių fotonai sudaužė gyvybės veidrodį, įspausdami chirališkumą molekulėms, pradėjusioms gyvybę.

Meierhenrichas sako, kad tokia idėja dera ir su jo paties mąstymu. „Pagrindinė idėja ne taip jau skiriasi skirtinga,“ pažymi. „Mūsų atveju chirališkumą suteikia fotonai, o šiuo atveju – elektronai.“ Dar priduria, kad jo komanda šia tema „šiokių tokių idėjų turi“, nors galutinio asimetrinių elektronų šaltinio kosmose dar nenurodė.

Savo ruožtu Sasselovas į naujausius Naamano rezultatus žiūri atsargiai. Bet vertina juos pakankamai rimtai, kad norėtų patikrinti šią idėją pats. „Šališki elektronai turėtų sukurti chiralinį selektyvumą molekulėse, ir būtent tai bandau atlikti laboratorijoje,“ sako jis. „Dirbu su vienu iš buvusių Rono Naamano studentų ir bandymams naudojame labai jautrią naują techniką. Kol kas jos dar neišbandėme, tad, nežinau, ką atrasime… bet jei tai veiks, tai bus puiku.“

Naamano nuomone, gyvybės simetriją sudaužantis elektronų sukinys yra „labiau tikėtinas mechanizmas“ nei žvaigždžių šviesos fotonai, tačiau tai išdėstyti kokiame nors recenzuojamame mokslo žurnale kol kas vengia. Jo 2019 straipsnis skirtas chemikams, be jokių konkrečių nuorodų į gyvybę. „Iš tiesų tęsiame darbą ir,kaip galite įsivaizduoti, juntame pasipriešinimą,“ sako jis.

Iš tiesų panašu, kad jis aptiko kažką svarbaus. Bet tikriausiai Naamanas elgiasi išmintingai, laukdamas paramos. Kai esi chemikas-fizikas, brendantis į biologiją, nesinori visiems viską įrodinėti vienam.