מנגנונים פרדוקסליים שנחשפו – כימאים מילאו פער גדול במקור החיים

למולקולות יש לרוב אסימטריה מבנית הנקראת כיראליות, מה שאומר שהן יכולות להופיע בגרסאות חלופיות בתמונת מראה, בדומה לגרסה השמאלית והימנית של הידיים האנושיות. אחת התעלומות הגדולות לגבי מקורות החיים על פני כדור הארץ היא שלמעשה כל המולקולות הבסיסיות של הביולוגיה, כמו אבני הבניין של חלבונים DNAמופיעים בצורה כיראלית אחת בלבד.

כימאים מחקריים של Scripps, בשני מחקרים בעלי פרופיל גבוה, הציעו כעת פתרון אלגנטי לתעלומה זו, והראו כיצד יכלה להתבסס החד-ידיות או ה"הומוכיראליות" הזו בביולוגיה.

המחקרים פורסמו ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים ב-5 בפברואר 2024, ובתוך כך טֶבַע ב-28 בפברואר 2024. יחד, הם מציעים שההופעה של הומוכירליות נבעה בעיקר מתופעה כימיה הנקראת רזולוציה קינטית, שבה צורה כיראלית אחת הופכת לשופעת יותר מאחרת עקב ייצור מהיר יותר ו/או דלדול איטי יותר.

"היו הצעות רבות לאופן שבו הופיעה הומוכירליות במולקולות ספציפיות – ספציפיות חומצות אמינולמשל – אבל באמת היינו צריכים תיאוריה כללית יותר", אומרת דונה בלקמונד, Ph.D., פרופסור ויו"ר ג'ון סי מרטין במחלקה לכימיה ב-Scripps Research, שהובילה את שני המחקרים.

הסטודנט לתארים מתקדמים ג'ינהאן יו והעמית לפוסט-דוקטורט Min Deng, PhD, היו המחברים הראשונים של שני המחקרים.

חידת ההומוכירליות

כימיה "מקור החיים" הייתה תחום עמוס במשך רוב המאה האחרונה. המתרגלים שלה גילו עשרות תגובות מפתח שהתרחשו ככל הנראה על כדור הארץ הקדום, ה"פרה-ביוטי", כדי לייצר את ה-DNA, ה-RNA, הסוכרים, חומצות האמינו ומולקולות אחרות המקיימות חיים. עם זאת, נעדרה מגוף העבודה הזה, תיאוריה פרה-ביוטית סבירה להופעתה של הומוכיראליות.

"הייתה נטייה בשטח להתעלם מבעיית הכיראליות כשחיפשו תגובות סבירות שיכלו ליצור את המולקולות הביולוגיות הראשונות", אומר בלקמונד. "זה מתסכל, כי בלי תגובות שמעדיפות הומוקרליות, לא היו לנו חיים".

תגובות כימיות רגילות המייצרות מולקולות כיראליות נוטות להניב תערובות שוות ("גזעיות") של צורות שמאליות וימניות. מחוץ לביולוגיה, הערבוב הזה בדרך כלל לא משנה, מכיוון שלשתי הצורות יש בדרך כלל תכונות דומות או זהות. אולם בתוך הביולוגיה, כתוצאה מהומוקרליות נרחבת, נפוץ המקרה שרק לצורה השמאלית או הימנית של מולקולה כיראלית יש תכונות שימושיות – השני עשוי להיות אינרטי או אפילו רעיל. לפיכך, לעתים קרובות תאים מנחים תגובות כדי להניב צורות כיראליות ספציפיות, תוך שימוש באנזימים מפותחים מאוד.

עם זאת, בכדור הארץ הפרה-ביוטי לא היו אנזימים כאלה – אז איך נוצרה הומוצ'יראליות?

תוצאה פרדוקסלית

במחקר שלהם ב הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים, בלקמונד וצוותה התייחסו לבעיה זו עבור חומצות אמינו. מולקולות אורגניות קטנות אלו משמשות כאבני בניין לחלבונים על ידי כל היצורים החיים על פני כדור הארץ, אך קיימות בביולוגיה בצורה הכיראלית ביד שמאל בלבד.

החוקרים ביקשו במיוחד לשחזר הומוכירליות בתהליך מרכזי באמיני חוּמצָה ייצור הנקרא טרנסאמינציה, על ידי שימוש בכימיה פשוטה יחסית, פרה-ביוטית מתקבלת על הדעת, שאינה כוללת אנזימים מורכבים.

בבדיקות מוקדמות, התגובה הניסיונית של הצוות עבדה, והניבה חומצות אמינו שהועשרו לצורה כיראלית אחת לעומת השנייה. הבעיה הייתה שהצורה המועדפת הייתה הצורה הימנית – זו שהביולוגיה לא משתמשת בה.

"היינו תקועים לזמן מה, אבל אז הנורה נדלקה – הבנו שאנחנו יכולים לעשות חלק מהתגובה הפוך", אומר בלקמונד.

כשהם עשו זאת, התגובה כבר לא יצרה חומצות אמינו ביד ימין. בדוגמה בולטת של רזולוציה קינטית, הוא במקום זאת צרך ומדלדל את הגרסאות הימניות – והותיר יותר מחומצות האמינו הרצויות לשמאליות. לפיכך הוא שימש מסלול מתקבל על הדעת להומכירליות עבור חומצות אמינו המשמשות בתאים חיים.

קושר את הכל ביחד

בשביל ה טֶבַע במחקר, הכימאים חקרו תגובה פשוטה שבה חומצות אמינו בצורות החיים המוקדמות ביותר היו קשורות יחד לחלבונים הקצרים הראשונים (הידועים גם כפפטידים). התגובה פורסמה קודם לכן על ידי חוקר אחר, אך מעולם לא נחקרה על יכולתה לייצר פפטידים הומוצירים מתערובות גזעיות או כמעט גזעיות של חומצות אמינו.

שוב, הכימאים נתקלו במה שנראה כמכשול בלתי עביר: הם גילו שביצירת שרשראות פפטידים של חומצות אמינו, התגובה עבדה מהר יותר עבור קישורים של שמאליים עם חומצות אמינו ימניות – ההיפך מהפפטידים ההומוצ'ירים הרצויים. .

ובכל זאת, הצוות התמיד. בסופו של דבר, הם גילו שכאשר לסוג אחד של חומצות אמינו במאגר ההתחלתי של חומצות אמינו יש אפילו דומיננטיות מתונה של הצורה השמאלית – כפי שמחקר אחר שלהם הסביר – קצב התגובה המהיר יותר של שמאל לימין- קישורי ידיים דללו עדיפות חומצות אמינו של יד ימין, והותירו ריכוז הולך וגובר של שמאליים. בנוסף, לפפטידים שמאל-ימין-שמאל-ימין הייתה נטייה חזקה יותר להתקבץ יחד ולנשור מהתמיסה כמוצקים. תופעות אלו הקשורות ברזולוציה קינטית הניבו אפוא פתרון טהור להפליא של פפטידים שמאליים כמעט לחלוטין.

בעיני בלקמונד, המנגנונים הפרדוקסליים לכאורה שנחשפו במחקרים אלו מציעים את ההסבר המשכנע והרחב הראשון להופעתה של הומוקירליות – הסבר שכנראה עובד לא רק עבור חומצות אמינו, היא אומרת, אלא גם עבור מולקולות בסיסיות אחרות של ביולוגיה כמו DNA ו RNA.