Una nueva investigación sugiere que la «lateralidad» preferida de las biomoléculas podría haber surgido de interacciones sesgadas entre electrones y superficies magnéticas

(Quanta)-En 1848, cuando Louis Pasteur era un joven químico todavía a años de descubrir cómo esterilizar la leche, descubrió algo peculiar acerca de los cristales que se formaban accidentalmente cuando un químico industrial hirvía vino durante demasiado tiempo. Se reconocía que la mitad de los cristales eran ácido tartárico, una sal industrialmente útil que crecía naturalmente en las paredes de los barriles de vino. Los otros cristales tenían exactamente la misma forma y simetría, pero una cara estaba orientada en la dirección opuesta.

La diferencia era tan marcada que Pasteur podía separar los cristales con una lupa y unas pinzas. “Son entre sí lo que es una imagen, en un espejo, en relación con la cosa real”, escribió en un artículo ese año.

Aunque Pasteur no lo sabía, en los posos cristalizados de ese vino se había topado con uno de los misterios más profundos sobre los orígenes de la vida en la Tierra.

Lo que estaba viendo era una mezcla de moléculas de ácido tartárico que tenían composiciones atómicas idénticas y disposiciones especulares de esos átomos en el espacio. Tenían la propiedad que más tarde se llamó “quiralidad” por la palabra griega que significa “mano”: así como nuestras manos izquierda y derecha son opuestas simétricamente entre sí, las versiones (o enantiómeros) izquierda y derecha de las moléculas de ácido tartárico son distintos y no equivalentes.

La importancia de la observación de Pasteur fue más allá del descubrimiento de la quiralidad: también estaba la notable razón por la que la estaba viendo. Los cristales sintéticos eran una mezcla de enantiómeros del ácido tartárico porque el proceso de ebullición permitió que se formaran versiones para diestros y zurdos en números iguales. Pero en los cristales naturales de las barricas de vino, todas las moléculas de ácido tartárico eran diestras, porque las uvas utilizadas para el vino, recogidas de vides vivas, sólo producían ese enantiómero.

La quiralidad es una firma de la vida tal como la conocemos. Una y otra vez, los bioquímicos han descubierto que cuando las células vivas utilizan moléculas quirales, utilizan exclusivamente una quiralidad. Los azúcares que forman el ADN, por ejemplo, son todos diestros. Los aminoácidos que forman las proteínas son todos zurdos. Si los enantiómeros equivocados se introducen en los productos farmacéuticos, los efectos a veces pueden ser tóxicos o incluso letales.

 

Algún acontecimiento o serie de acontecimientos tempranos en la historia de la vida debe haber “roto el espejo”, como dicen los bioquímicos, arrojando la vida a la asimetría molecular. Los científicos han debatido por qué la vida se volvió homoquiral y si era necesario que sucediera o si fue pura casualidad. ¿Las preferencias quirales fueron impresas en la vida temprana por muestras sesgadas de moléculas que llegaron del espacio, o de alguna manera evolucionaron a partir de mezclas que comenzaron como partes iguales de diestros y zurdos?

«Los científicos han quedado desconcertados por esta observación», dijo Soumitra Athavale , profesora asistente de química orgánica en la Universidad de California, Los Ángeles. «Han presentado todo tipo de propuestas a lo largo de los años, pero es difícil presentar propuestas que sean realmente relevantes desde el punto de vista geológico». Además, si bien muchas teorías podrían explicar por qué un tipo de molécula podría haberse vuelto homoquiral, ninguna de ellas explicaba por qué lo hicieron redes enteras de biomoléculas.

Recientemente, un grupo de la Universidad de Harvard publicó una serie de artículos que presentan una solución intrigante sobre cómo surgió la homoquiralidad de la vida. Sugieren que las superficies magnéticas de los minerales en los cuerpos de agua de la Tierra primordial, cargadas por el campo magnético del planeta, podrían haber servido como «agentes quirales» que atrajeron algunas formas de moléculas más que otras, iniciando un proceso que amplificó la quiralidad de las moléculas. moléculas biológicas, desde precursores de ARN hasta proteínas y más. El mecanismo propuesto explicaría cómo un sesgo en la composición de ciertas moléculas podría haberse extendido hacia afuera para crear una vasta red de química quiral que sustenta la vida.

No es la única hipótesis plausible, pero «es una de las más interesantes porque vincula la geofísica con la geoquímica, con la química prebiótica y, en última instancia, con la bioquímica», dijo Gerald Joyce , bioquímico y presidente del Instituto Salk que no participó en el estudio. el estudio. También le impresiona que la hipótesis esté respaldada por «experimentos reales» y que «lo estén haciendo en condiciones realistas».

El efecto CISS

Las raíces de la nueva teoría sobre la homoquiralidad se remontan a casi un cuarto de siglo, cuando Ron Naaman , profesor de física química en el Instituto Weizmann de Ciencias de Israel, y su equipo descubrieron un efecto crítico de las moléculas quirales. Su trabajo se centró en el hecho de que los electrones tienen dos propiedades clave: llevan una carga negativa y tienen «giro», una propiedad cuántica análoga a la rotación intrínseca en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Cuando las moléculas interactúan con otras moléculas o superficies, sus electrones pueden redistribuirse, polarizando las moléculas creando una carga negativa en su destino y una carga positiva en su punto de partida.

Naamán y su equipo descubrieron que las moléculas quirales filtran electrones según la dirección de su giro. Los electrones con una orientación de espín se moverán más eficientemente a través de una molécula quiral en una dirección que en la otra. Los electrones con espín opuesto se mueven más libremente en sentido contrario.

Para entender por qué, imaginemos que lanzamos un disco volador que rebota en la pared de un pasillo. Si el Frisbee golpea la pared derecha, rebotará hacia adelante sólo si gira en el sentido de las agujas del reloj; de lo contrario, rebotará hacia atrás. Ocurrirá lo contrario si golpeas el Frisbee contra la pared izquierda. De manera similar, las moléculas quirales “dispersan los electrones según su dirección de rotación”, dijo Naamán. Él y su equipo denominaron a este fenómeno efecto de selectividad de espín inducida por quiral (CISS).

Debido a esa dispersión, los electrones con un espín determinado terminan agregándose en un polo de una molécula quiral (y las versiones diestra y zurda de la molécula reúnen espines opuestos en sus respectivos polos). Pero esa redistribución de espines afecta la forma en que las moléculas quirales interactúan con las superficies magnéticas porque los electrones que giran en direcciones opuestas se atraen entre sí, y los que giran en la misma dirección se repelen entre sí.

En consecuencia, cuando una molécula quiral se acerca a una superficie magnética, se acercará más si la molécula y la superficie tienen sesgos de espín opuestos. Si sus giros coinciden, se repelerán. (Debido a que también ocurren otras interacciones químicas, la molécula no puede simplemente girarse para realinearse). Por lo tanto, una superficie magnética puede actuar como un agente quiral, interactuando preferentemente con un solo enantiómero de un compuesto.

En 2011, en colaboración con un equipo de la Universidad de Münster en Alemania, Naaman y su equipo midieron el espín de los electrones a medida que se movían a través del ADN bicatenario, confirmando que el efecto CISS es real y fuerte.

Fue entonces cuando la investigación sobre el efecto y sus posibles aplicaciones «comenzó a crecer», dijo Naaman. Él y su equipo, por ejemplo, desarrollaron varias formas de utilizar el efecto CISS para eliminar impurezas de los biomedicamentos o para excluir los enantiómeros incorrectos de los medicamentos para prevenir efectos secundarios importantes. También han explorado cómo el efecto CISS podría ayudar a explicar los mecanismos de la anestesia.

Pero sólo comenzaron a trabajar seriamente en la idea de que el efecto CISS desempeña un papel en el aumento de la homoquiralidad biológica después de que un equipo de Harvard dirigido por el astrónomo Dimitar Sasselov y su estudiante de posgrado S. Furkan Ozturk los invitara a colaborar en una hipótesis. .

Una perspectiva de la física

Ozturk, el joven autor principal de los artículos recientes, se encontró con el problema de la homoquiralidad en 2020 cuando era estudiante de posgrado en física en Harvard. Descontento con su investigación sobre simulaciones cuánticas utilizando átomos ultrafríos, hojeó una revista científica que detalla 125 de los mayores misterios del mundo y aprendió sobre la homoquiralidad.

«Parecía realmente una cuestión de física porque se trata de simetrías», dijo. Después de contactar a Sasselov, director de la Iniciativa Orígenes de la Vida de Harvard y que ya estaba interesado en la cuestión de la homoquiralidad, Ozturk pasó a ser estudiante de su laboratorio.

A Ozturk y Sasselov pronto se les ocurrió una idea basada en el efecto CISS. Imaginaron un escenario primordial como un lago poco profundo donde había superficies llenas de minerales magnéticos y el agua contenía una mezcla de precursores quirales de nucleótidos. Teorizaron que la luz ultravioleta podría haber expulsado muchos electrones de las superficies magnéticas, y muchos de esos electrones habrían tenido el mismo espín. Los electrones expulsados ​​podrían entonces haber interactuado preferentemente con enantiómeros específicos, y las reacciones químicas resultantes podrían haber ensamblado preferentemente precursores de ARN diestros.

En abril de 2022, Ozturk viajó al laboratorio de Naaman en Israel, entusiasmado ante la perspectiva de probar su hipótesis. Su entusiasmo duró poco. Durante el mes siguiente, mientras trabajaba con Naamán, la idea se vino abajo. «No funcionó», dijo Ozturk, por lo que regresó a casa, abatido.

Pero entonces Ozturk tuvo otra idea. ¿Qué pasaría si el efecto CISS no se manifestara como un proceso químico sino físico?

El grupo de Naamán había demostrado que podían utilizar superficies magnéticas para cristalizar preferentemente enantiómeros. Y la cristalización sería la forma más fácil de reunir colecciones purificadas de enantiómeros. Ozturk se lo mencionó a John Sutherland , su colaborador en el Laboratorio de Biología Molecular MRC en el Reino Unido: «Y le dije: deja todo lo que tenga que ver con los electrones y céntrate sólo en la cristalización», dijo Sutherland.

Sutherland estaba entusiasmado con el aspecto de la cristalización porque él y su equipo ya habían descubierto de forma independiente que un precursor de ARN llamado riboaminooxazolina (RAO) puede sintetizar dos de los cuatro componentes básicos del ARN. RAO también «cristaliza maravillosamente», dijo Sutherland. Una vez que se forma una semilla de cristal a partir del enantiómero que es atraído hacia la superficie, el cristal crece preferentemente incorporando más del mismo enantiómero.

Ozturk recuerda que Sutherland le dijo que “se terminaría el juego” si la idea del efecto CISS funcionaba. «Porque era muy simple», dijo Ozturk. «Lo estaba haciendo en una molécula que era tan central para el origen de la química de la vida que si puedes lograr que esa molécula sea homoquiral, puedes hacer que todo el sistema sea homoquiral».

Ozturk se puso a trabajar en el laboratorio de Harvard. Puso superficies de magnetita en una placa de Petri y la llenó con una solución que contenía cantidades iguales de moléculas RAO diestras y zurdas. Luego colocó el plato sobre un imán, guardó el experimento en el frigorífico y esperó a que aparecieran los primeros cristales. Al principio, el equipo descubrió que el 60% de los cristales eran de una sola mano. Cuando repitieron el proceso, sus cristales tenían 100% de la misma quiralidad.

Como informaron en un estudio publicado en junio en Science Advances , si magnetizaban la superficie en una dirección, creaban cristales que eran puramente diestros; si lo magnetizaban en sentido contrario, los cristales eran puramente zurdos. «Me sorprendió mucho porque estoy muy familiarizado con experimentos que no funcionan», dijo Ozturk. Pero este «funcionó a las mil maravillas».

Detrás de su escritorio, Ozturk guarda la botella vacía de champán que Sasselov y el equipo compartieron en una cena de celebración.

Multiplica y amplifica

Pero todavía tenían un problema importante: el imán que utilizaron en su experimento era aproximadamente 6.500 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.

Así que Ozturk regresó al Instituto Weizmann en noviembre pasado, y él y Naaman trabajaron en un experimento de seguimiento en el que no utilizaron ningún campo magnético externo. En cambio, descubrieron que cuando las moléculas quirales eran adsorbidas en las superficies magnéticas, creaban un campo magnético altamente local sobre la superficie que era hasta 50 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. Sus hallazgos han sido aceptados por una revista revisada por pares, pero aún no se han publicado.

«Estás obligando al vecindario a magnetizarse, lo que hace aún más fácil que los cristales sigan formándose», dijo Joyce. Ese efecto de autoperpetuación hace que el escenario sea plausible, añadió.

Athavale está de acuerdo. El hecho de que no se necesite un campo altamente magnético para que se produzca el efecto CISS es «realmente agradable, porque ahora hemos visto un posible entorno geológico», dijo.

Pero la verdadera clave para crear homoquiralidad es observar cómo el efecto podría haberse amplificado a través de una red de moléculas que interactúan. «El aspecto más importante de todo esto no es que hayamos logrado encontrar otra manera de obtener un producto quiral», dijo Sasselov, sino que su grupo había encontrado una ruta para crear una red homoquiral.

En un artículo que apareció en la portada de The Journal of Chemical Physics en agosto, Ozturk, Sasselov y Sutherland propusieron un modelo de cómo la información quiral podría propagarse a través de una red prebiótica. Sutherland y su grupo habían demostrado previamente que los análogos de las moléculas de ARN de transferencia diestras (que unen aminoácidos y los llevan al ribosoma para producir proteínas) se unen a los aminoácidos zurdos 10 veces más rápido que a los diestros. El hallazgo sugiere que el ARN quiral produce preferentemente proteínas de quiralidad opuesta, como se ve en la naturaleza. Como escribieron los investigadores en el artículo: «Por lo tanto, el problema de la homoquiralidad biológica puede reducirse a garantizar que un único precursor de ARN común (por ejemplo, RAO) pueda volverse homoquiral».

El estudio no explicó directamente por qué los nucleótidos preferidos de la vida son diestros y sus aminoácidos zurdos, dijo Ozturk. Pero estos nuevos hallazgos sugieren que el factor determinante fue la magnetización inducida por el campo terrestre. Athavale señaló que incluso si el proceso de cristalización ocurriera en 100 lagos primordiales, el campo magnético de la Tierra aseguraría que todos produjeran precursores con la misma destreza en lugar de una mezcla.

Joyce señaló que hay un “pequeño giro genial” si el campo magnético diera tal sesgo: si la vida comenzó en el hemisferio norte y favoreció a las moléculas con una sola mano, entonces habría mostrado la dirección opuesta si hubiera surgido en el hemisferio sur.

La propagación de la quiralidad entre familias de moléculas sigue siendo muy hipotética, señaló Athavale, aunque es bueno hacer pensar a la gente. Sasselov está de acuerdo. «La idea de este artículo es motivar a la gente a realizar estos experimentos», dijo.

Wentao Ma , investigador sobre los orígenes de la vida en la Universidad de Wuhan en China, dijo que los nuevos artículos marcan «un progreso interesante». Pero necesitaría ver que el efecto CISS conduce a la polimerización del ARN para verlo como una respuesta completa. «Si pueden lograr este resultado, creo que no estamos muy lejos de la… solución», dijo.

«Me gusta mucho el efecto CISS», afirmó Noémie Globus , astrofísica que trabaja en el problema de la homoquiralidad. Lo que sería más persuasivo, dijo, sería que los investigadores comprobaran si los meteoritos que contienen un exceso de aminoácidos con una determinada lateralidad (lo que se ha descubierto antes) también contienen un exceso de partículas magnéticas. También señaló que diferentes mecanismos teorizados podrían haber creado homoquiralidad en diferentes moléculas.

Jeffrey Bada , profesor emérito del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego, se muestra escéptico ante la idea. No cree que el ARN pudiera haberse sintetizado en condiciones primordiales como la primera molécula autorreplicante. «Nadie ha producido ARN en un contexto prebiótico», dijo, porque hay demasiados problemas con la estabilidad de la molécula.

El equipo de Sutherland todavía está trabajando para demostrar que los otros dos tipos de nucleótidos se pueden producir a partir de la molécula precursora de ARN. «Creo que estamos bastante cerca», dijo Sutherland. «Pero mi grupo les dirá que he estado diciendo eso durante 22 años».

Ya sea que el efecto CISS represente la solución, parte de la solución o ninguna solución, existen pasos obvios para probarlo. «Tiene todos los aspectos de una buena hipótesis en la que se llega a algo creativo, algo que es factible y luego algo que en última instancia se puede probar», dijo Athavale. Cree que el siguiente paso más convincente sería mostrar evidencia geológica de que el proceso podría haber ocurrido fuera del laboratorio.

Durante una llamada de Zoom, Ozturk levantó una roca negra plana que había recogido en un viaje a Australia, un lugar lleno de rocas de hierro magnético en las que espera replicar sus experimentos. También quiere hacer que las pruebas futuras de la idea sean más dinámicas: los lagos primordiales donde cree que se formaron las primeras moléculas habrían tenido corrientes y flujos de material, así como ciclos naturales de “húmedo-seco” impulsados ​​por lluvias y altas temperaturas, que permitiría que los cristales se formaran y disolvieran, se formaran y se disolvieran.

Aunque el misterio de la homoquiralidad está lejos de resolverse, Ozturk ha recibido cierto estímulo entusiasta de sus mentores por su trabajo en la explicación del efecto CISS. En abril, dio una charla en Harvard sobre las investigaciones del grupo Sasselov, a la que asistió uno de sus ídolos. Matthew Meselson, genetista y biólogo molecular que confirmó experimentalmente cómo se replica el ADN, se sentó en la primera fila mientras Ozturk escribía sus hallazgos en una pizarra. El genetista de 93 años le dijo a Ozturk después que estaba muy contento de haber vivido lo suficiente para ver cómo se resolvía este problema. Más tarde le dio a Ozturk una copia firmada de uno de sus libros. “Ya has resuelto un problema profundo”, escribió en él. “Te deseo la mejor fortuna”.