[논문 리뷰] Origin of Biological Homochirality by Crystallization of an RNA Precursor on a Magnetic Surface

S. Furkan Ozturk, Ziwei Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 09.

Origins and Evolution of Life참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 라이보-아미노옥사졸린(RAO)이라는 RNA 전구체가 마그네파이트(Fe₃O₄) 표면에서 스핀 선택성 결정화를 통해 생물학적 동일자성의 기원에 대해 천연적으로 실현 가능한 메커니즘을 제안한다. 치라유도 스핀 선택성(CISS) 효과를 활용하여 자성 표면이 치라 대칭을 깨고, 이로 인해 혼성 결정화가 발생하여 대칭성의 초과를 약 60%까지 증폭시켜 랙emic 기원 용액에서 동일자성 RAO 결정을 생성한다. 이는 생물학적 동일자성을 위한 강력하고 자가 증폭 가능한 경로를 제공한다.

ABSTRACT

Homochirality is a signature of life on Earth yet its origins remain an unsolved puzzle. Achieving homochirality is essential for a high-yielding prebiotic network capable of producing functional polymers like ribonucleic acid (RNA) and peptides. However, a prebiotically plausible and robust mechanism to reach homochirality has not been shown to this date. The chiral-induced spin selectivity (CISS) effect has established a strong coupling between electron spin and molecular chirality and this coupling paves the way for breaking the chiral molecular symmetry by spin-selective processes. Magnetic surfaces can act as chiral agents due to the CISS effect and they can be templates for the enantioselective crystallization of chiral molecules. Here we studied the spin-selective crystallization of racemic ribo aminooxazoline (RAO), an RNA precursor, on magnetite ($Fe_3O_4$) surfaces, achieving an unprecedented enantiomeric excess of about 60$\%$. Following the initial enrichment, we then obtained homochiral crystals of RAO after a subsequent crystallization. Our work combines two necessary features for reaching homochirality: chiral symmetry-breaking induced by the magnetic surface and self-amplification by conglomerate crystallization of RAO. Our results demonstrate a prebiotically plausible way of achieving systems level homochirality from completely racemic starting materials.

연구 동기 및 목표

• 생명의 상징적 특징인 생물학적 동일자성의 해결되지 않은 기원을 다루기 위해, 치라 대칭 깨짐을 위한 원시 조건에서 실현 가능한 메커니즘을 규명하는 것.
• 자기적 표면이 치라유도 스핀 선택성(CISS) 효과를 통해 원시 분자의 치라 선택성 결정화를 유도할 수 있는지 조사하는 것.
• 마그네파이트 표면에서 RAO의 혼성 결정화가 작은 치라 편향을 고도로 대칭성 초과(ee)로 증폭시켜 동일자성 결정을 생성할 수 있는지 보여주는 것.
• 치라 분자가 자성 표면을 더 강하게 극성화하여 스핀 정렬을 향상시키고, 약한 자기장 조건에서도 동일자성을 유지할 수 있도록 피드백 메커니즘을 설정하는 것.

제안 방법

• 원시 조건에서 라이보-아미노옥사졸린(RAO)의 랙emic 형태를 합성하였다.
• CISS 효과를 통해 내재된 스핀 균형을 가진 마그네파이트(Fe₃O₄) 나노입자를 치라 템플릿으로 활용하였다.
• controlled 조건 하에서 마그네파이트 표면에서 RAO의 증발 결정화를 수행하여 치라 선택성 핵형화를 평가하였다.
• 원형 이완도(CD) 분광법을 사용하여 대칭성 초과(ee)를 측정하고, X선 회절을 통해 결정 구조를 확인하였다.
• 원자력 현미경(AFM)과 NMR을 사용하여 표면의 스핀 균형을 특성화하고, 자성 특성과 치라 유도 간의 상관관계를 분석하였다.
• 초기 지구 조건을 반영하는 약한 자기장 조건에서 시스템의 거동을 모델링하여 원시 조건 실현 가능성을 평가하였으며, 특히 초강자성 Fe₃O₄ 입자(~100 nm)의 잔류 자기화를 중심으로 분석하였다.

Figure 1: The mechanism of spin-selective crystallization due to the CISS effect and the experimental setup. a. As molecules approach a surface, they transiently acquire an induced charge polarization. Due to the CISS effect, transient charge polarization of a chiral molecule is accompanied by spin

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재된 스핀 균형을 가진 자성 표면이 원시 치라 분자인 RAO의 치라 선택성 결정화를 일으킬 수 있는가?
• RQ2 마그네파이트 표면에서의 치라유도 스핀 선택성(CISS) 효과가 RAO 결정화에 측정 가능한 치라 편향을 유도하는가?
• RQ3 RAO의 혼성 결정화가 작은 초기 치라 편향을 고도의 대칭성 초과(ee)로 증폭시켜 궁극적으로 동일자성 결정을 생성할 수 있는가?
• RQ4 이 메커니즘이 초기 지구 조건을 반영하는 약한 자기장 조건에서 작동하는가, 특히 작은 초강자성 마그네파이트 입자를 사용할 경우에 대해 강건한가?
• RQ5 치라 RAO 분자와 자성 표면 간의 상호작용이 스핀 균형을 향상시키고 동일자성을 안정화시키는 피드백 루프를 형성할 수 있는가?

주요 결과

• 라크emic RAO가 마그네파이트 표면에서 결정화되어 약 60%의 대칭성 초과(ee)를 나타내어 효과적인 치라 대칭 깨짐을 입증하였다.
• 고도의 ee는 마그네파이트 표면에서의 스핀 선택성 핵형화와 혼성 결정화의 자가 증폭 성질의 조합에 기인하였다.
• 마그네파이트 나노입자(~100 nm)는 약한 자기장(0.1 mT) 조건에서도 충분한 잔류 자기화(10 kA/m 이상)를 유지하여 이 메커니즘이 원시 조건에서 실현 가능하다는 것을 입증하였다.
• 두 번째 결정화 단계를 거친 후 동일자성 RAO 결정이 생성되었으며, 이는 初기 치라 편향이 동일자성 상태로 증폭되었음을 시사한다.
• 이 메커니즘은 수용성 조건에서 강건하며, 이전의 분리 방법과 마찬가지로 HCl와 같은 극한의 용매를 필요로 하지 않는다.
• 치라 RAO 분자와 자성 표면 간의 상호작용은 스핀 균형을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이는 동일자성으로 향하는 자가 유지 가능한 경로를 시사한다.

Figure 2: Stereoselective and enantioselective crystallization of RAO. a. A microscope image of the nearly enantiopure RAO crystals formed on a magnetite surface from their racemic solution. b. Circular dichroism spectra of the crystals formed on the magnetite surface. The red (blue) spectrum corres