Детектирование хиральных биомолекул методами, применимыми при исследовании планет in situ (стр. 1 )

Детектирование хиральных биомолекул методами, применимыми при исследовании планет in situ.

( ИНЭИХФ РАН), Кукс Грэхам (Purdue University)

Абстракт

Предложение направлено на доказательство возможности применения масс - спектрометрии  для решения проблемы детектирования хиральной асимметрии  в органических соединениях и ее количественного определения на объектах солнечной системы вне Земли.  Детектирование хиральной поляризации будет проводиться на асимметрических органических молекулах, предположительно образовавшихся во внеземных предбиологических условиях, главным образом на аминокислотах. Предлагаемая методология использует реперное хиральное соединение известной симметрии, которое вступает в реакцию образования комплекса  с молекулами анализируемого соединения и солью меди. Тандемный масс – спектрометр используется для диссоциации образующегося комплекса на составляющие ионно-молекулярные образования. Хиральность анализируемого вещества определяется по относительной интенсивности пиков диастереомерных ионных комплексов с реперными молекулами известной хиральности. Будут развиты не только методы распознавания хиральности аминокислот, но и методы определения концентрации энантиомеров в смесях. Эксперименты будут выполнены с использованием масс - спектрометра с ионной ловушкой в Педью и спектрометра ионного циклотронного резонанса  с преобразованием Фурье и источником ионов, основанном на методе электрораспыления в вакуум, имеющемся в распоряжении московской группы.  Высокая чувствительность предлагаемого метода должна позволить анализировать смеси на хиральную чистоту с высокой точностью. Этот метод  будет предложен также для  использования в аналитических лабораториях при хиральном анализе важных биомолекул, таких как аминокислоты и белки. Он является возможной основой для общего метода молекулярного распознавания в газовой фазе. Мы проведем  также эксперименты на других хиральных кластеро-образующих веществах, таких как тартраты  и краунэфиры. Ионы других переходных металлов, таких как никель(II), железо(II), цинк(II), кобальт(II) и палладий(II), которые являются хелатообразующими ионами, будут проверены на их эффективность при образовании димерных и тримерных комплексов на их основе. Дополнительные эксперименты будут проведены с использованием миниатюрного масс-спектрометра, разрабатываемого в Педью для экзобиологических применений.

Введение.

       В течении 1997-1998, лаборатория, руководимая , провела исследования совместно с группой Проф. Д.Футрела из Университета штата Делавэр в рамках проекта CRDF (грант RC1-204) под названием «Структурное  распознавание молекул в ионно-молекулярных реакциях методом масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье».  В этих исследованиях была разработана методика распознавания хиральности в молекулярных системах тартратов, а также выяснена природа наблюдаемых в этих системах эффектов хиральности (, 1997, , 1998).  В результате исследований был сделан вывод о возможности использования предложенного метода для решения одной из наиболее актуальных проблем современной науки – происхождения гомохиральности в биологических системах.  Предлагаемый проект направлен на дальнейшее развитие метода и его использования в исследованиях важных, с точки зрения биологии, аминокислот.

Постановка задачи.

       Происхождение гомохиральности1 является одной из наиболее важных проблем на пути понимания химической эволюции материи (Lunine, 1999).  Существует много различных гипотез, описывающих химическую эволюцию природы от простейших элементов, через образование неорганических и простых органических соединений, к появлению сложных органических молекул (жирные кислоты, аминокислоты, азотсодержащие гетероциклические соединения, и т. п.), и, наконец, образованию в процессах поликонденсации макромолекул, таких как полипептиды и белки, являющихся зародышами для последующей биологичекой эволюции2.  В то же время, не существует какого-либо общепринятого подхода к объяснению происхождения гомохиральности в живой природе.  В то время как однозначно установлено наличие гомохиральности в биологических объектах земного происхождения, природа ее происхождения до сих пор является неизвестной.

       Независимо от решения проблемы образования гомохиральности, идентификация постоянной или остаточной хиральности в планетарных образцах является важным шагом на пути понимания происхождения жизни на Земле, а также поиска существования следов жизни на других планетах Солнечной системы.  В этой связи, недавнее обнаружение хиральной асимметрии в аминокислотах, найденных в метеоритных образцах (Engel et all, 1997, Cronin et all, 1997) вызвало широкий резонанс в научном сообществе (Chyba, 1997).  Это открытие было сделано на образцах в условиях научных лабораторий на Земле, где возможно использование широкого спектра современных аналитических приборов.  Исследование большинства объектов Солнечной системы, в частности планет, в обозримом будущем будет проводиться in situ, а не путем доставки образцов на Землю.  Даже для Марса, доставка образцов на Землю будет осуществляться только с ограниченных областей при минимальных количествах добываемого образца, в то время как анализ in situ будет проводиться при использовании разнообразных методов и широком выборе мест для такого анализа (National Research Council, 1997).  В предлагаемом исследовании, мы намерены  создать и продемонстрировать химический метод детектирования избытка энантиомеров (хиральной поляризации), который может быть применен в различных планетарных условиях вне Земли.

Определение хиральной поляризации in situ для практических целей будет ограничено определенным классом несимметричных органических молекул,  предположительно возникающих во внеземных предбиологических условиях. Из молекул с несимметричными структурами наибольший астробиологический интерес представляют аминокислоты и гидроксикарбоновые кислоты. Аминокислоты представляют большой интерес вследствие их биологической важности, разнообразия и высокой химической и хиральной стабильности (аминокислоты сохраняют свою начальную конфигурацию в естественных условиях в течение длительного периода времени). Процессы предбиологического синтеза, как было показано, дают несколько аминокислот, среди них глицин, аланин, beta-аланин, саркосин, аминобутановая кислота, аспаргиновая кислота, глютаминовая кислота, иминоэтановая кислота.  Из хиральных аминокислот простейшая, аланин, формируется в сравнительно больших количествах и, поэтому, должна быть наиболее важной целью исследований. Наиболее практичным методом для определения хиральной асимметрии во внеземных условиях, по-видимому, является масс - спектрометрия, несмотря на то, что никогда ранее она не применялась для поиска хиральных органических систем за пределами Земли. Главной целью нашего предложения является разработка масс-спектрометрического метода решения проблем детектирования и анализа энантиомерного состава богатых органическими соединениями внеземных объектов Солнечной системы, таких как Марс, Европа, и Титан, являющихся спутниками Сатурна.  Особый интерес представляют в этой связи Марс и Титан.

Методы определения хиральности соединений. 

       Определение энантиомерного состава аминокислот осуществляется в настоящее время с помощью хроматографии.  В 1966 году, Джиль-Ав с сотрудниками впервые разделил энантиомеры аминокислотных производных с помощью газовой хроматографии.  Двумя годами позже, Даванков и Рогозин осуществили аналогичное разделение с помощью жидкостной хроматографии.  С тех пор, многочисленные хиральные фазы были описаны и исследованы методами газовой и жидкостной хроматографии, а также капиллярным электрофорезом. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый указанными методами, а также их широкое применение, эти методы не подходят для исследования объектов внеземного происхождения.  Например, метод газовой хроматографии не подходит для работы в условиях космических экспедиций из-за ограничений по массе, потребляемой мощности, и размеру, накладываемых на научное оборудование. Кроме того, в условиях таких экспедиций, когда исследуемый объект имеет низкую температуру, невозможно использование высокотемпературной хроматографии.  Более современный метод капиллярного электрофореза требует использования высоковольтных источников.  Жидкостная хроматография позволяет работать с немодифицированными аминокислотами, однако разработка методов низкотемпературной экстракции образца и анализа его энантиомерного состава этим методом находятся в настоящее время в начальной стадии. 

Использование масс - спектрометрии при исследовании хиральности.

       В настоящее время является актуальной задачей разработка прямого (нехроматографического) метода исследования хиральности.  Таким методом может стать масс - спектрометрия.  В отличие от хроматографии, масс - спектрометрия позволяет прямую идентификацию образцов и может быть использована в широком диапазоне температур (что особенно важно, поскольку все указанные выше объекта Солнечной системы, могущие содержать остаточную хиральную органику биологического происхождения, имеют очень низкую температуру на поверхности).  До недавнего времени считалось, что с помощью масс - спектрометрии невозможно распознавать хиральность органических веществ.  Ситуация коренным образом изменилась после разработки новых методов ионизации молекул.  Эти методы позволяют получать сложные комплексы хиральных молекул (комплексы, в которых молекулы соединены друг с другом нековалентными связями, такими как водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса, и другие).  Масс - спектрометрия, считавшаяся долгое время исключительно методом для исследования газовой фазы, превратилась в метод исследования сложных молекулярных систем.  В последние два десятилетия, исследования хиральных взаимодействий в газовой фазе проводились лишь эпизодически (например, Сплиттер и др., 1994).  Однако, в последнее время такие исследования стали проводиться систематически для определенного круга ионных комплексов со стабильностью, чувствительной к хиральности входящих в них молекул.