Зеркальные предпочтения первых биомолекул могли возникнуть на древних магнитах.

Оптическими, зеркальными или хиральными изомерами называют молекулы, одинаковые по атомному составу и по химическим связям между ними, но отличающиеся их пространственным расположением. Отличаются они таким образом, что один изомер выглядит как зеркальное отражение другого, откуда и появилось название зеркальной изомерии. Или же их можно сравнить с правой и левой рукой — левая рука выглядит как зеркальное отражение правой (откуда название хиральности, происходящее от древнегреческого слова, обозначающего руку). В обычных условиях зеркальные изомеры одинаковы по химическим и физическим свойствам, кроме одного: если через раствор с одним или другим изомером пропустить поляризованный свет, они будут вращать плоскость поляризованного света в разных направлениях. Поэтому изомерия называется ещё оптической, а изомеры – левовращающими и правовращающими.

(Иллюстрация: THAVIS 3D / Unsplash.com) 

Хиральность («лево-правость») есть у огромного числа органических соединений, и, как мы только что сказали, на их химическое поведение она никак не влияет: реакции, которые происходят с левыми изомерами, точно так же идут с правыми. Но есть исключение: в живых клетках нуклеиновые кислоты, а также их строительные блоки – всегда правые, а аминокислоты и белки – всегда левые; иными словами, биомолекулам свойственна гомохиральность. То есть в лаборатории можно получить, например, и правые аминокислоты, но жизнь использует только их левовращающие изомеры.

Почему в живых организмах возник такой зеркально-изомерный перекос, до сих пор остаётся загадкой, хотя решения предлагают самые разные. Кстати, тут можно вспомнить ироническую гипотезу Станислава Лема, у которого высокоразвитые инопланетяне, помешивавшие первичный суп земной жизни, помешивали его кочергой, загнутой вправо. Димитар Сасселов (Dimitar D. Sasselov) и его коллеги из Гарварда предлагают в Science Advances более научное объяснение, основанное на взаимоотношениях молекул с магнитным полем. Лево-правые изомеры по-разному ведут себя в магнитном поле, и связано это с тем, что в левых и правых изомерах одной и той же молекулы по-разному ориентированы электронные спины. Известны эксперименты, в которых левовращающие пептиды связывались с магнитной поверхностью, а специально синтезированные правовращающие пептиды от неё отталкивались.

Одна из версий возникновения жизни на Земле называется гипотезой мира РНК. Она говорит о том, что первыми биомолекулами на Земле были РНК, которые сами, без помощи белков, могут выполнять некоторые важные биохимические реакции. РНК состоят из нуклеотидов, каждый нуклеотид состоит из фосфорной кислоты, рибозы и азотистого основания. Четыре азотистых основания образуют генетический словарь. Есть молекула под названием рибоаминооксазолин (РАО), из которой получаются сразу два азотистых основания РНК – цитозин и урацил. РАО – хиральная молекула, то есть у неё есть зеркальный изомеры. И ещё у неё есть свойство образовывать кристаллы из одних и тех же изомеров. То есть если кристалл начался с левых изомеров, то в него и дальше будут включаться только левые изомеры, а правых в нём не будет; и наоборот.

И вот исследователи предположили, что отбор хиральных изомеров на заре жизни был связан с тем, что они по-разному притягивались и кристаллизовались на какой-то намагниченной поверхности. Такой поверхностью мог быть магнетит, достаточно распространённый минерал земной коры. В эксперименте магнетит намагнитили сильным внешним полем, а сверху налили рацемический (то есть с равным содержанием левых и правых изомеров) раствор РАО. На магнетите появились кристаллы только одной оптической ориентации, причём их ориентация зависела от полярности магнетита. Если магнетит потом «накачивали» магнитным полем в противоположной ориентации, то и кристаллы РАО росли из изомеров, зеркальных первым.

Правда, внешнее поле, которое тут использовали, было в 6500 раз сильнее поля Земли. Однако и собственное поле Земли может способствовать пусть слабому, но всё же отбору одного из хиральных изомеров. Более того, есть данные, что когда РАО падают на магнетит, они влияют на ориентацию спинов в нём, усиливая его способность притягивать определённые изомеры. То есть происходит постепенное усиление: чем больше правых РАО осело на магнетите, тем сильнее он будет притягивать те же правые изомеры.

Можно представить, как из правых (правовращающих) предшественников азотистых оснований образуются правые азотистые основания, а за ними и правые РНК. Но это нуклеиновые кислоты у нас правовращающие. Почему аминокислоты и белки оказались левовращающими? В другой статье, которая должна вскоре появиться в The Journal of Chemical Physics, те же исследователи пишут, что хиральность РНК стереохимически обусловила хиральность белков: с правыми РНК могли работать только левые белки.

Гипотеза с магнитностью и спинами удобна тем, что она объясняет, как изомеры одного типа могли сконцентрироваться вместе. Молекулы-предшественники, кристаллизуясь, не могли уплыть прочь; здесь из них получались уже сами азотистые основания одной и той же изомерии. Они могли работать – то есть вступать в реакции – только с такими же, как они, изомерами. Их зеркальные близнецы плавали в разбавленном растворе где-то в другом месте и не могли поучаствовать в празднике химической эволюции; а потом они уже не могли влезть в биомолекулы, потому что биомолекулы не могли работать с другими изомерами.

Впрочем, не нужно забывать, что это всё-таки гипотеза. Из рибоаминооксазолин (РАО) можно получить только два азотистых основания; где-то нужно взять все остальные – и желательно, чтобы их тоже можно было сконцентрировать по хиральности, как и  первые два. Появление биомолекул из неживого сырья сейчас весьма активно изучают (причём вовсе необязательно, что составные элементы той же РНК образовались на земле – в последнее время генетические буквы находят на астероидах), и, возможно, в скором времени у нас появятся новые результаты, которые подтвердят – или опровергнут – магнитную гипотезу гомохиральности.