Хиральность назвали универсальным маркером жизни

Моделирование возникновения хиральности в одномерной системе из рацемической смеси. Красным и синим показаны два стереоизомера. Время отложено по горизонтальной оси. Видно, что из полностью перемешанного сосотояния слева система перешла в чистое состояние справа.

Изображение: Farshid Jafarpour, Tommaso Biancalani, Nigel Goldenfeld, arXiv:1507.00044

Физики и биологи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампань разработали новую математическую модель возникновения хиральности в биологических системах, то есть появления среди биомолекул чисто правых или чисто левых стереоизомеров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем можно прочитать на сайте Американского физического общества.

Особенностью новой модели является то, что она не требует почти никаких особых заранее заданных условий. Согласно такой модели, хиральность должна возникать во всех системах, где появляется жизнь — то есть она может быть ее универсальным маркером.

Почти все современные теории, объясняющие механизм возникновения биологической хиральности, основаны на работе Чарльза Франка, опубликованной еще в 1953 году. В ней физик показал, что для устойчивого разделения стереоизомеров достаточно возникновения автокаталитических реакций, то есть таких реакций, в которых хиральные продукты катализировали бы переход ахиральных молекул в таких же хиральные продукты (условно, левая аминокислота катализировала бы синтез только левых, но не правых аминокислот).

Однако модель Франка содержит элементы нелинейности, которые, как показали последние экспериментальные работы, не обязательно возникают в биологических системах. Главная такая нелинейность — так называемое хиральное ингибирование, то есть превращение правых и левых молекул вновь в ахиральные (реакция D + L → 2A). Без такой реакции модель Франка не работает, а обосновать обязательность хирального ингибирования для возникновения любой жизни очень сложно.

В новой работе ученые показали, что хиральное ингибирование вовсе не требуется для возникновения хиральности. Достаточно только автокаталитических реакций, без которых жизнь, по современным представлениям, невозможна (любой сложный репликатор проводит такую реакцию). Нелинейность в новой модели возникает не из хирального ингибирования, а из стохастических эффектов, прежде всего от случайных неоднородностей концентрации веществ в каждой точке раствора, где идут автокаталитические реакции. Для иллюстрации справедливости новой модели ученые приводят результаты компьютерной симуляции возникновения хиральности из смешанного раствора со временем — именно она показана на рисунке выше. 

В качестве непосредственного практического применения результатов работы авторы приводят в пример планирование межпланетных экспедиций. Поскольку хиральность можно считать признаком жизни, то поиск хиральных молекул, например, в океане Энцелада или Европы можно считать чрезвычайно важной задачей для будущей миссии к этим спутникам газовых гигантов. 

Александр Ершов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.