Форма под названием «Сфинкс» может объяснить ручность в биологии

 От спирали цепи ДНК до расположения строительных блоков белка, изгибы и завихрения биохимии часто следуют удивительно последовательной ориентации лево- и праворукости, известной как хиральность.

Может ли сфинкс ответить на сложную загадку биологии? (Фото: sciencealert.com)

Недавнее исследование, включающее мозаику простой формы на основе треугольников, может помочь нам лучше понять, почему биология отдает предпочтение одной ориентации над другой.

Исследование, проведенное небольшой группой исследователей из США и Германии, показывает, как сочетание геометрии и основ физики может лежать в основе некоторых из самых интригующих закономерностей жизни.

«Вселенная не должна отдавать предпочтение одной руке перед другой, но на масштабе за масштабом появляются хиральные предпочтения», — говорит биофизик Chan Zuckerberg Biohub Грег Хубер. «Хиральность может быть очень загадочной».

Подобно тому, как наши две руки держат ладони вверх, зеркальная версия хиральных молекул не может быть идеально выровнена друг относительно друга, независимо от того, как они вращаются. Таким образом, хотя левые и правые молекулы выглядят почти одинаково, они могут оказывать совершенно разное влияние на реальный мир. Например, использование перевернутой версии молекулы в лекарстве может принести больше вреда, чем пользы.

Не только органические молекулы могут иметь ориентацию. Минералы могут быть хиральными при структурировании в биологических системах. Спиралевидный панцирь из карбоната кальция улитки и минералы в наших костях — это лишь два примера.

Но то, как эти минералы атом за атомом образуют кристаллические хиральные формы, — это просто еще один любопытный факт хиральности.

Чтобы лучше понять возникновение киральности, особенно в густонаселенном пространстве биологической системы, Хубер и его коллеги обратились к самой простой двумерной хиральной форме, полученной из серии треугольников: асимметричной форме, получившей название сфинкс.

Форма сфинкса — это наименьшая хиральная форма, которую можно сформировать из треугольников. (Фото: sciencealert.com)

Хубер и его команда использовали компьютерные модели, чтобы проверить левосторонность и правосторонность выравнивания плиток сфинкса, разбивая их по разным количествам и ориентациям. Как объясняют исследователи в своей статье, они хотели «изучить статистическую механику и выявить киральную природу, присущую ансамблям плотно упакованных киральных плиток, подчиненных конечным пространственным границам».

Будучи асимметричными, плитки сфинкса могут сочетаться друг с другом по-разному, по сравнению с чем-то простым, например, квадратом. Например, всего две плитки сфинкса можно объединить более чем 45 различными способами, чтобы составить пару, тогда как два квадрата могут сочетаться только в одном направлении.

По мере того, как количество сфинксов в узоре увеличивается, они объединяются суперэкспоненциальным образом, предоставляя исследователям доступ к большой, теоретически случайной системе для работы.

Хубер и его коллеги смоделировали взаимодействие между хиральными сфинксами в условиях высокой и низкой энергии, сродни температуре. В высокотемпературных системах у хиральных сфинксов почти не было возможности взаимодействовать, поскольку они толкались на месте и в конечном итоге образовывали беспорядочный узор.

В условиях низкой энергии (слева) плитки сфинкса демонстрируют скопление правых (красных) и левых (синих) хиральных форм , которые все перемешаны в условиях высоких энергий (справа).  (Фото: sciencealert.com)

По мере понижения температуры взаимодействия становились более упорядоченными, и сфинксы одинаковой хиральности сбивались вместе, образуя кластеры, которые вы можете видеть на диаграмме выше.

Удивительно, однако, что в высокотемпературных системах, ограниченных симметричной внешней границей – например, в переполненной комнате – сфинксы одной и той же хиральности также имели тенденцию группироваться вместе, как показано на диаграмме ниже.

Даже в такой базовой, урезанной модели киральности моделирование показывает, что из хаоса могут возникать закономерности, и что подобные молекулы, похоже, тяготеют к подобным.

Обнаружение каких-либо правил, лежащих в основе этих геометрических узоров, могло бы помочь исследователям во многих областях науки, возможно, понять структуру внешней оболочки вирусов или то, как магнетизм мог запустить цепную реакцию, которая в конечном итоге дала жизни ее молекулярную асимметрию.

Источник