Wanneer je een rechterhand voor een spiegel houdt, kun je een gereflecteerd beeld van een linkerhand zien en vice versa. In 1848 ontdekte Louis Pasteur dat organische moleculen veel op onze handen lijken:ze komen in spiegelbeeldige paren van links- en rechtshandige varianten. Tegenwoordig weten we dat deze handigheid of chiraliteit (van het Griekse woord voor "hand") een kenmerk is van organische moleculen.

Organische moleculen zijn rijk aan koolstofatomen, die bindingen vormen om ofwel een rechter of een linker "nano-hand" te creëren. Maar vreemd genoeg kiest het leven er bijna altijd voor om uitsluitend een van de twee spiegelbeeldige tweelingen te gebruiken - een fenomeen dat homochiraliteit wordt genoemd. Het aardse leven is bijvoorbeeld gebaseerd op linkshandige aminozuren en rechtshandige suikers.

Hoewel er veel verklaringen werden gesuggereerd, blijft hoe en waarom homochiraliteit ontstond een raadsel. Verbreking van chirale symmetrie, een fenomeen waarbij een 50-50-verhouding van links- en rechtshandige moleculen vertrekt om de ene boven de andere te bevoordelen, is van groot onderzoeksinteresse in de biochemie. Het begrijpen van de oorsprong van homochiraliteit is van groot belang voor het onderzoeken van de oorsprong van leven, evenals voor meer praktische toepassingen zoals de synthese van chirale medicijnmoleculen.

Een model biedt nu een nieuwe verklaring voor het ontstaan ​​van homochiraliteit in het leven - een al lang bestaande puzzel over de oorsprong van het leven op aarde.

Er wordt algemeen aangenomen dat het leven is ontstaan ​​in habitats die rijk zijn aan energiebronnen, zoals hydrothermale bronnen in de diepten van de oeroceanen. Prof. Tsvi Tlusty en Dr. William Piñeros van het Center for Soft and Living Matter binnen het Institute for Basic Science, Zuid-Korea, beschouwden mogelijke primordiale aardescenario's voor een complex netwerk van chemische reacties die energie uitwisselen met de omgeving. Toen het team een ​​wiskundig model en systeemsimulatie gebruikte om een ​​goed geroerde oplossing van verschillende chemische elementen in een container na te bootsen, ontdekten ze verrassend genoeg dat dergelijke systemen van nature de neiging hebben om de symmetrie van de moleculaire spiegel te doorbreken.

Homochiraliteit ontstaat spontaan in prebiotische chemische netwerken die zich aanpassen om de energiewinning uit de omgeving te optimaliseren. Eerder werd aangenomen dat het breken van chirale symmetrie meerdere lussen van autokatalyse vereist, die in toenemende mate één enantiomeer van een molecuul produceert terwijl de vorming van de andere wordt geremd. De resultaten van het IBS-team toonden echter aan dat het onderliggende mechanisme van symmetriebreking zeer algemeen is, omdat het kan voorkomen in grote reactiesystemen met veel willekeurige moleculen en geen geavanceerde netwerkarchitecturen vereist. Het bleek dat deze scherpe overgang naar homochiraliteit voortkomt uit de zelfconfiguratie van het reactienetwerk om een ​​efficiëntere oogst van energie uit de omgeving te bereiken.

Het model ontwikkeld door Piñeros en Tlusty toonde aan dat sterk dissiperende systemen en grote energieverschillen meer vatbaar zijn voor het induceren van chirale symmetriebreking. Bovendien bleek uit de berekeningen dat dergelijke overgangen bijna onvermijdelijk zijn, dus het is redelijk om aan te nemen dat ze in het algemeen kunnen voorkomen in willekeurige chemische reactiesystemen. Het door de groep gedemonstreerde, op optimalisatie gebaseerde model voor het oogsten van energie legt uit hoe homochiraliteit spontaan kan zijn ontstaan ​​uit de harde, energierijke omgeving van de vroege planeet Aarde.

Het voorgestelde mechanisme van symmetriebreking is algemeen en kan ook worden toegepast op andere overgangen in levende materie die leiden tot verhoogde complexiteit.

Bovendien stelt het model een algemeen mechanisme voor dat verklaart hoe de complexiteit van een systeem kan groeien naarmate het zich beter aanpast aan het exploiteren van een wisselende omgeving. Dit suggereert dat het breken van chirale symmetrie een inherent kenmerk is van elk complex systeem (zoals het leven) dat in staat is zichzelf te configureren om zich aan te passen aan een omgeving. Deze bevindingen kunnen bovendien spontane symmetriebrekingen verklaren in veel complexere biologische processen, zoals celdifferentiatie en de opkomst van nieuwe genen.

Deze studie is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications . + Verder verkennen

Rommelige prebiotische chemie kan de sleutel zijn tot homochiraal leven