Warum sind Ihre linke und rechte Hand symmetrisch? Die ägyptische Sphinx gibt die Antwort ...

Die tiefgreifende wissenschaftliche Frage, warum das Leben eine bestimmte Chiralität bevorzugt, beschäftigt seit langem Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen wie der Biochemie, Zellbiologie und Evolutionsbiologie, die der Wahrheit auf die Spur kommen wollen. Kürzlich hat ein Team unter der Leitung von Professor Greg Huber, einem Biophysiker am Chan Zuckerberg Biological Center in San Francisco, eine sehr interessante Lösung gefunden: Anhand des Bildes der altägyptischen Sphinx entwickelten sie die „Sphinx-Theorie“, um das Geheimnis der Chiralitätspräferenz in einem begrenzten Raum in Organismen zu erklären. Die Forschungsarbeit wurde in Physical Review Research (PRR) veröffentlicht.

Geschrieben von | Xiaoye

Am fernen Ufer des Nils, auf den Klippen der Stadt Theben, bewacht ein Monster namens Sphinx (auch bekannt als das löwenköpfige Biest) den einzigen Weg in die Stadt. Es hielt Passanten an und stellte ihnen ein Rätsel: Welches Tier läuft morgens auf vier Beinen, mittags auf zwei Beinen und abends auf drei Beinen? Das Sphinx-Puzzle ist jedem bekannt. Es ermöglicht uns, aus einer philosophischen Perspektive über den Menschen nachzudenken und ihn zu verstehen: Wer sind wir, woher kommen wir, wie begann das Leben? Vor kurzem haben moderne Wissenschaftler eine interessante „Sphinxologie“ entwickelt, die anhand alter Bilder versucht, das grundlegendste und wichtigste Rätsel der Biologie aus naturwissenschaftlicher Sicht zu lösen: die Chiralitätspräferenz.

Chiralität ist überall

Wenn wir unsere Handflächen ausbreiten, sind unsere linke und rechte Hand spiegelsymmetrisch zueinander. Doch egal, wie wir die einzelnen Hände drehen, sie können nicht vollständig übereinandergelegt und überlappt werden. Daher ist eine einzelne Hand selbst nicht symmetrisch. Dies ist die intuitivste Manifestation des „Händigkeits“-Phänomens. Der Mensch hat eine linke und eine rechte Hand und darauf aufbauend lassen sich auch asymmetrische Chiralitätsstrukturen in Linkshändigkeit (L-Typ) und Rechtshändigkeit (D-Typ) unterteilen.

Chiralität ist in der Natur allgegenwärtig, von mikroskopischen Molekülen bis hin zu Organismen, die mit bloßem Auge sichtbar sind. Beispielsweise handelt es sich bei der überwiegenden Mehrheit der DNA-Helixstrukturen um rechtsgängige Helixstrukturen und bei der überwiegenden Mehrheit der organischen Moleküle, aus denen das Leben besteht, handelt es sich um chirale Moleküle. Aminosäuren und natürliche Zucker haben sowohl Links- als auch Rechtschiralität. In der makroskopischen Welt, beispielsweise beim Menschen, gibt es von Kopf bis Fuß und von vorne nach hinten ebenfalls eine offensichtliche Asymmetrie auf diesen beiden Körperachsen: Bei normal entwickelten Menschen ist die Position der Hauptorgane immer zu einer Seite der Körperachse verschoben, die Leber befindet sich rechts, der Magen immer links, das Herz leicht links usw. Darüber hinaus ist die Struktur der Organe selbst asymmetrisch. Nur wenn bei der Entwicklung des menschlichen Körpers etwas schief geht, kommt es zu einer abnormalen Links-Rechts-Symmetrie oder einer vollständigen Umkehrung der linken und rechten Position.

Obwohl Chiralität eindeutig links und rechts ist, haben Wissenschaftler auf mikroskopischer Molekülebene ein weiteres eigenartiges Phänomen entdeckt: Homochiralität, d. h. eine bestimmte chirale Konfiguration ist bei Molekülen desselben Typs, aus denen das Leben besteht, in der Mehrzahl. Beispielsweise sind die α-Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen, fast alle vom L-Typ, und die Ribose in Ribonukleinsäure (RNA) und Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist alle vom D-Typ. Fast alle Organismen wählen bei der Synthese und im Stoffwechsel ausnahmslos linkshändige Aminosäuren und rechtshändige Zucker.

Von der DNA-Helixstruktur (links) über die Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen (Mitte), bis hin zu RNA und D-Ribose in der DNA (rechts) weisen alle offensichtliche Chiralitätspräferenzen auf. Bildquelle: Pixabay, Wikipedia

Dies wirft eine wichtige Frage zur Homochiralität auf: Warum bevorzugt das Leben eine Chiralität gegenüber einer anderen?

Verschiedene Wissenschaftler haben versucht, diese Frage aus unterschiedlichen Perspektiven zu beantworten, darunter Biochemie, Zellbiologie, Evolutionsbiologie usw. Doch vor kurzem hat ein Team unter der Leitung von Professor Greg Huber (chinesischer Name: Hu Boguang), einem Biophysiker am Chan Zuckerberg Biohub in San Francisco, eine sehr interessante Lösung gefunden: Ausgehend vom Bild der altägyptischen Sphinx als „Fabelwesen“ entwickelten sie die „Sphinx-Theorie“, um das Geheimnis der Chiralitätspräferenz bei Organismen in einem begrenzten Raum zu erklären. Die Forschungsarbeit wurde in Physical Review Research (PRR) [1] veröffentlicht (siehe Abbildung unten).

Der Ursprung der Sphinx-Theorie

Im Jahr 2018 gründete Professor Hu in San Francisco seine eigene Forschungsgruppe für Biophysiktheorie, die Werkzeuge der theoretischen Physik einführte und komplexe biologische Prozessmodelle für die Forschung erstellte. Doch das konkrete Forschungsobjekt entstand schon früher. Bereits als Professor Hu stellvertretender Direktor des Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) an der University of California in Santa Barbara war, bemerkte er die chiralen Eigenschaften des geometrischen Bildes der Sphinx. Obwohl dieses alte geometrische Bild von der akademischen Gemeinschaft lange Zeit ignoriert wurde, glaubt er, dass es, wenn es im Kachelproblem verwendet wird, die Frage der Chiralitätspräferenz in der Biologie aufdecken könnte.

Echte Sphinxstatue und geometrische Sphinxfiguren | Quelle: danielharper.org

Tatsächlich wurde der Zusammenhang zwischen Geometrie und Biologie von Wissenschaftlern seit Mitte des letzten Jahrhunderts entdeckt, insbesondere auf dem Gebiet der Virologie. Im Jahr 1956 sagten James Watson und Francis Crick von der Universität Cambridge (der später 1962 den Nobelpreis für die Entwicklung des Doppelhelix-Strukturmodells der DNA erhielt) voraus[2], dass isoedrische Viruspartikel identische Untereinheiten aufweisen sollten, die in einer kubisch symmetrischen Weise angeordnet sind. In den 1960er Jahren verwendeten der Strukturbiologe Donald Caspar und der Biophysiker Aaron Klug ein geometrisches Modell, um Viren in virale Kapside zu klassifizieren [3]. Sie wurden von den geodätischen Kuppeln des berühmten Architekten R. Buckminster Fuller inspiriert. In ihrem Artikel „Physical principles in the construction of regular viruses“ [4] beschrieben sie die schöne physikalische Geometrie der Proteinmoleküle in viralen Kapsiden.

Huber wollte Geometrie mit Chiralität kombinieren und diskutierte die Idee mit seinem Freund Professor Robert Ziff an der University of Michigan. Ziff holte dann seine Kollegen Craig Knecht und Walter Trump hinzu, die ebenfalls großes Interesse am Forschungsthema Sphinx hatten.

Gregory Huber

Die vier verstanden sich auf Anhieb und das Forschungsteam war gegründet. Ab Ende 2018 begann das Team, das Chiralitätsproblem Schritt für Schritt eingehend zu untersuchen, ausgehend von der Tessellierung des zweidimensionalen Bildes der Sphinx. Obwohl die globale COVID-19-Pandemie im Jahr 2019 auch das Team beeinträchtigte und das Forschungstempo eine Zeit lang verlangsamte, zahlt sich harte Arbeit aus. Nach fast fünf Jahren intensiver Forschung wurde die „Sphinx-Theorie“ von Hubers Team endlich veröffentlicht.

Das sich ständig verändernde Sphinx-Pflaster

Genauer gesagt begann das Team mit dem einfachsten dreieckigen geometrischen Bild und verwendete sechs gleichseitige Dreiecke, um das kleinste zweidimensionale Bild der Sphinx zusammenzusetzen (siehe Abbildung unten), auch bekannt als Sphinx 1. Ordnung, die eine inhärente Chiralität aufweist: Der nach links gerichtete Kopf ist linkshändig (L-Sphinx), und der nach rechts gerichtete Kopf ist rechtshändig (R-Sphinx).

Linkshändigkeit | Bildquelle: Referenz [1]

Als nächstes können vier Sphinxen 1. Ordnung zu einer Sphinx 2. Ordnung und neun Sphinxen 1. Ordnung zu einer Sphinx 3. Ordnung gekachelt werden. Analog dazu besteht eine Sphinx n-ter Ordnung aus nxn Sphinxen 1-ter Ordnung, die in unmittelbarer Nähe angeordnet sind.

Die obere linke Ecke des obigen Bildes ist eine Sphinx 1. Ordnung, die untere linke Ecke ist eine Sphinx 2. Ordnung und die mittlere und rechte Seite sind vier Sphinxen 3. Ordnung. | Bildquelle: Referenz [1]

Da die Sphinx 1. Ordnung eine asymmetrische Form ist, gibt es viele mögliche Kombinationen mehrerer Sphinxen 1. Ordnung. Beispielsweise können nur zwei Sphinxe erster Ordnung auf 46 oder 47 verschiedene Arten gepaart werden, während einfache symmetrische Formen wie Quadrate nur auf eine Art kombiniert werden können. Was Sphinxen höherer Ordnung betrifft, gibt es, wie im Bild oben gezeigt, vier verschiedene Kombinationen von Sphinxen dritter Ordnung.

Da die Anzahl der Sphinxen 1. Ordnung während des Pflasterungsprozesses zunimmt, wachsen auch die möglichen Kombinationen exponentiell: Es gibt 153 verschiedene Kombinationen von Sphinxen 5. Ordnung, fast 72.000 Kombinationen von Sphinxen 6. Ordnung und erstaunliche 10^30 Kombinationen von Sphinxen 13. Ordnung, die exponentiell wachsen.

153 Collage-Kombinationen der 5-stufigen Sphinx | Bildquelle: Referenz [1]

Zusätzlich zur Kachelung von Sphinxen höherer Ordnung können Sphinxen der Ordnung 1 auch andere symmetrische oder asymmetrische Polygone in verschiedenen Kombinationen kacheln. Auf der Grundlage solcher Polygone (einschließlich der Sphinx) entwickelten die Forscher eine Monte-Carlo-Berechnungsmethode zur Generierung neuer Tessellationsmuster aus gegebenen Tessellationsmustern. Dadurch wird es einfacher, von größeren und komplexeren Mustern auszugehen und deren chirale Eigenschaften durch die Kombination von chiraler Energie und grafischen Rahmenbedingungen zu untersuchen.

Chiralitätspräferenz in der Welt

Ein Blick auf die Geschichte der Wissenschaft zeigt, dass die Forschung zum mysteriösen Homochiralitätsproblem seit mehr als 100 Jahren mit Unterbrechungen läuft. Sie lässt sich bis ins Jahr 1848 zurückverfolgen, als der französische Chemiker Louis Pasteur durch die Trennung von Tartratspiegelkristallen erstmals das Konzept der molekularen Chiralität vorschlug. Interessanterweise beschrieb Lewis Carroll, ein Mathematikdozent an der Universität Oxford in Großbritannien, das mysteriöse Chiralitätsphänomen auch durch den Spiegel in seinen beiden Büchern „Alice im Wunderland“ (1865) und „Alice hinter den Spiegeln“ (1871). Zu Beginn des 20. Jahrhunderts prägte der britische mathematische Physiker Baron Kelvin den Begriff „Chiralität“[5]. Es dauerte jedoch bis in die 1950er Jahre, insbesondere 1953, einem Jahr mit einer großen Zahl von Machbarkeitsstudien zur Entstehung des Lebens, bis FC Frank vom HH Wills Physical Laboratory der Universität Bristol in Großbritannien ein mathematisches Modell für die Evolution der Homochiralität vorschlug[6]. Diese theoretische Forschung zog mehrere Generationen von Chemikern in ihren Bann und wurde mehr als 40 Jahre später experimentell verifiziert[7].

Ebenfalls in den 1950er Jahren gelang mit dem Problem der Homochiralität ein großer Durchbruch auf dem Gebiet der Physik. Im Jahr 1956 stellten die theoretischen Physiker Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang die Frage, ob Chiralität unter schwachen Wechselwirkungen existiert, das heißt, sie bezweifelten, dass die Parität unter schwachen Wechselwirkungen erhalten bleibt. Anschließend nahm Li Zhengdao Kontakt mit Wu Jianxiong auf, einem Experten für β-Zerfall und Experimentalphysiker, und sie diskutierten viele mögliche experimentelle Verifizierungsschemata. Laut Wu Chien-Shiungs späteren Memoiren war dies für sie zwar eine Herausforderung, aber auch eine „goldene Gelegenheit“. Sie schlug ein Experiment mit 60Co vor, um zu testen, ob die Parität beim β-Zerfall erhalten bleibt[8], und arbeitete mit der Tieftemperatur-Forschungsgruppe des National Bureau of Standards[9] zusammen, um schließlich zu beweisen, dass die Parität bei schwachen Wechselwirkungen nicht erhalten bleibt (Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang erhielten hierfür später 1957 den Nobelpreis für Physik. Wu Chien-Shiung verpasste zwar den Nobelpreis, gewann aber 1978 den ersten Wolf-Preis für Physik).

Seit mehr als einem Jahrhundert beschäftigt sich das Problem der Homochiralität immer wieder mit Wissenschaftlern aus den unterschiedlichsten Bereichen, von mikroskopischen Partikeln bis hin zu biologischen Molekülen. In einem Interview mit Fanpu sagte Professor Huber, er habe immer geglaubt, dass das Universum nicht eine Art von Chiralität bevorzugen sollte. Mit zunehmender Skala tritt allmählich die Präferenz für Chiralität hervor, und Chiralität kann sehr mysteriös sein.

Nachdem Hubers Team die sich ständig verändernden Kachelmuster der Sphinx sorgfältig untersucht hatte, bestand der nächste Schritt darin, sie mit der Chiralität zu korrelieren. Um die Chiralitätsverteilung lokaler Bereiche innerhalb der tessellierten Grafiken intuitiver darzustellen, hat das Team die L-Sphinx auf Blau und die R-Sphinx auf Rot eingestellt. Am Beispiel der Sphinx 7. Ordnung überlagerten sie alle möglichen Tessellationsmethoden und stellten unerwartet fest, dass die Form der Grafikgrenze mit der linken (oder rechten) Chiralitätspräferenz zusammenhängt:

Bildquelle: Referenzen [1]

Wie im Bild oben gezeigt, sind bei der Sphinx der 7. Ordnung verschiedene Bereiche an den Ecken deutlich blauer oder rötlicher, und dieses Muster ist auch in den symmetrischen Figuren zu erkennen, die durch die dichte Pflasterung der Sphinx gebildet werden, wie etwa bei der Rautenfigur der 12. Ordnung in der Abbildung unten.

Bildquelle: Referenzen [1]

Anschließend führten die Forscher chirale Wechselwirkungsenergie ein, um hohe und niedrige Energie zu simulieren, ähnlich der Wechselwirkung chiraler Sphinxen unter hohen und niedrigen Temperaturbedingungen. Wenn zwei Sphinxen erster Ordnung mit gleicher Chiralität zusammengefügt werden, spricht man von einer niedrigen Wechselwirkungsenergie, und wenn zwei Sphinxen mit entgegengesetzter Chiralität zusammengefügt werden, spricht man von einer hohen Wechselwirkungsenergie. Die Forscher stellten daher die Hypothese auf, dass angesichts des Einflusses der oben genannten Graphgrenzen auf die Chiralitätspräferenz das System bei niedrigerer Temperatur (Sphinx n-ter Ordnung) eine einzigartige chirale Phase oder eine Phase aufweisen würde, in der eine Chiralität den größten Teil des Graphen einnimmt.

Mithilfe des Monte-Carlo-Algorithmus wurde am Beispiel der L-Sphinx 23. Ordnung (siehe Abbildung unten) festgestellt, dass die Sphinxen 1. Ordnung mit gleicher Chiralität unter Hochtemperaturbedingungen kaum miteinander interagieren können und die linke und rechte Chiralität zufällig zusammenpassen. Je höher die Wechselwirkungsenergie, desto einfacher ist es, ein Bild mit einer chaotischen Verteilung der Links- und Rechtschiralität zu erzeugen (die Sphinx auf der rechten Seite). Bei sinkender Temperatur passen mehr L-Sphinxen 1. Ordnung zusammen und nehmen den größten Teil der Position im Bild ein. Die Interaktion wird geordneter und die Interaktionsenergie ist niedriger, was dazu führt, dass mehr identische Chiralität zusammengefügt wird, um ein endgültiges Bild mit Linkshändigkeit als Hauptchiralitätspräferenz zu erzeugen (die Sphinx auf der linken Seite).

Bildquelle: Referenzen [1]

Die Forscher sagen außerdem voraus, dass sich die Chiralität mit zunehmender Größe des Systems dramatisch ändern könnte, was ebenfalls ein zukünftiges Forschungsthema für das Team ist. Schließlich liefert die Studie ein vereinfachtes Grundmodell der Chiralität und zeigt, dass aus Chaos Ordnung entstehen kann und dass Moleküle mit ähnlicher Chiralität stärker von Molekülen angezogen werden, die ihnen ähnlich sind. In diesem Sinne bietet das von Professor Hubers Team vorgeschlagene Sphinx-Geometriemodell einen Ausgangspunkt zur Lösung des Rätsels der Chiralität.

Huber verriet Fanpu außerdem, dass sein Team neben den Ergebnissen des in Physical Review Research veröffentlichten Artikels noch viele weitere Entdeckungen auf Grundlage der Sphinx-Theorie gemacht habe, diese jedoch noch nicht offiziell veröffentlicht worden seien. Beispielsweise die Thermodynamik der Sphinx-Tessellation, die Phänomene, die auftreten, wenn die Tessellationsgrenze schwankt, und so weiter. Mit der Veröffentlichung weiterer Ergebnisse in der Zukunft wird der Inhalt der Sphinx-Theorie immer umfangreicher. Alle Gesetze, die sich daraus ergeben, werden den Fortschritt in vielen wissenschaftlichen Bereichen vorantreiben, beispielsweise hinsichtlich der Struktur von Viruskapsiden oder der Art und Weise, wie Magnetismus Kettenreaktionen auslöst, was möglicherweise eines Tages das Rätsel der Homochiralität von Lebensmolekülen lösen könnte.

Im Oktober dieses Jahres „zog“ Hubers Team an die University of California in San Francisco um, und die „Sphinx“ setzte ihre Legende auf dem Gebiet der Wissenschaft im 21. Jahrhundert fort …

Wir möchten Professor Greg Huber für seine unermüdliche Anleitung und Kommentare zu diesem Artikel danken.

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