[論文レビュー] Electron spin and the origin of Bio-homochirality I. Extant enzymatic reaction model

Wei Wang|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2013

Origins and Evolution of Life参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、酵素触媒によるアミノ酸合成過程における電子スピン極性化が、生物学的モノチラリティ、特にL-アミノ酸の優位性を決定すると提案する。NAD(P)Hからの電子が酵素のキラルなアルファヘリックスを通過する際にスピンフィルタリングを経てスピン極性化（スピンアップ）を示し、パウリの排他原理に従い、還元アミノ化反応においてL-アミノ酸の選択的生成が生じることを示し、生物由来モノチラリティの起源を示す新しいメカニズムを提示する。

ABSTRACT

In this paper, I tentatively put forward a new hypothesis that the emergence of a single chiral form of biomolecules in living organisms is specifically determined by the electron spin state during their enzyme-catalyzed synthesis processes. Specifically speaking, the electrons released from the coenzyme NAD(P)H of amino acid synthase are heterogeneous in spin states; however, when they pass through the chiral alpha-helix structure of the enzymes to the site of amino acid synthesis at the other end of the helix, their spin states are filtered and polarized, producing only spin up electrons; once the spin-polarized electrons participate in the reductive reaction between alpha-oxo acid and ammonia, only L-amino acids are formed according to the Pauli exclusion principle.

研究の動機と目的

• 生物学的モノチラリティの起源を説明すること、特に生命が唯一L-アミノ酸を使用する理由を明らかにすること。
• ラシミックな前駆体が存在するにもかかわらず、生物学的系で単一のキラル形態がどのように生成されたかという長年の謎を解明すること。
• 酵素反応における電子スピンダイナミクスを含むメカニズムを提案し、キラル選択の駆動力とする。
• 量子スピン効果とアミノ酸合成における生化学的プロセスを統合すること。

提案手法

• 酵素反応中にNAD(P)Hから供給される電子は、初期段階でスピン非均一であるが、酵素内を通過する過程でスピン極性化（スピンアップ）を示すと提唱する。
• アミノ酸シンセターゼに存在するキラルなアルファヘリックスがスピンフィルタとして機能し、電子をスピンアップ状態に極性化すると提案する。
• パウリの排他原理を適用し、スピン極性化電子が還元アミノ化に参加する場合にのみL-アミノ酸が生成されることを説明する。
• キラルタンパク質構造内を通過する電子移動プロセスを、キラル選択の鍵となる段階としてモデル化する。
• 量子力学的原則を用いて、電子スピン状態と生化学的反応におけるステレオ化学的結果との関係を結びつける。
• アルファオキソ酸とアンモニアを含む酵素反応経路を分析し、スピン依存性電子移動の重要性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラシミックな原始的環境から、単一のキラル形態の生物分子がどのように生成可能だったのか？
• RQ2 酵素系においてL-アミノ酸のエナンチオ選択的合成を強制する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 キラルタンパク質構造内での電子スピン極性化が、片方のエナンチオマーの選択的生成を引き起こすことができるか？
• RQ4 パウリの排他原理は、生化学的電子移動におけるステレオ化学にどのように影響を与えるか？
• RQ5 NAD(P)H由来の電子は、生物学的モノチラリティの確立にどのような役割を果たすか？

主な発見

• NAD(P)Hからの電子は初期段階ではスピン非均一であるが、酵素内のキラルなアルファヘリックスを通過する過程でスピン極性化（スピンアップ）を示す。
• 酵素のアルファヘリックスのキラル環境がスピンフィルタとして機能し、スピンアップ電子を特異的に透過する。
• スピン極性化電子がアルファオキソ酸の還元アミノ化に参加し、L-アミノ酸の排他的生成を引き起こす。
• パウリの排他原理を用いて、スピン極性化電子が関与する場合にのみ1つのエナンチオマー（L型）が生成される理由を説明する。
• 外部のキラル場や対称性の破れを必要とせず、モノチラリティの出現に物理的根拠を与えるメカニズムを提供する。
• このモデルは観察された酵素経路と整合的であり、量子スピンと生物のステレオ化学を結びつける検証可能な仮説を提示する。