Von der Helix eines DNA-Strangs bis hin zur Anordnung der Proteinbausteine folgen die Drehungen und Wirrungen der Biochemie oft einer überraschend konsistenten Ausrichtung von Links- und Rechtshändigkeitbesitzen als Chiralität.
Eine aktuelle Studie über die Tesselation einer einfachen Form auf der Grundlage von Dreiecken könnte uns helfen, besser zu verstehen, warum die Biologie eine Ausrichtung gegenüber einer anderen bevorzugt.
Die von einem kleinen Forscherteam aus den USA und Deutschland durchgeführte Untersuchung zeigt, wie eine Kombination aus Geometrie und grundlegender Physik hinter einigen der faszinierendsten Muster des Lebens stecken könnte.
„Das Universum sollte nicht eine Händigkeit gegenüber einer anderen bevorzugen, aber auf einer Skala nach der anderen treten chirale Präferenzen auf“, sagt Greg Huber, Biophysiker bei Chan Zuckerberg Biohub. „Chiralität kann sehr mysteriös sein.“
Ähnlich wie unsere beiden Hände, die wir mit den Handflächen nach oben halten, können die gespiegelten Versionen chiraler Moleküle nicht perfekt übereinander ausgerichtet werden, egal wie sie gedreht werden. Während also links- und rechtsdrehende Moleküle nahezu identisch aussehen, können sie völlig unterschiedliche Auswirkungen auf die reale Welt haben. Die Verwendung der umgekehrten Version eines Moleküls in einem Medikament könnte beispielsweise mehr schaden als nützen.
Auch organische Moleküle können nicht nur eine Orientierung haben. Mineralien können chiral sein, wenn sie in biologischen Systemen strukturiert sind. Das spiralförmige Kalziumkarbonatgehäuse einer Schnecke und die Mineralien in unseren Knochen sind nur zwei Beispiele.
Aber wie sich diese Mineralien Atom für Atom zu kristallinen chiralen Formen formen, ist einfach eine weitere Kuriosität der Chiralität.
Um die Entstehung von Chiralität, insbesondere im überfüllten Raum eines biologischen Systems, besser zu verstehen, wandten sich Huber und Kollegen der grundlegendsten zweidimensionalen chiralen Form zu, die aus einer Reihe von Dreiecken abgeleitet ist: einer asymmetrischen Form mit dem Spitznamen Sphinx.
Huber und sein Team verwendeten Computermodelle, um die Links- und Rechtshändigkeit der Ausrichtung von Sphinxkacheln zu testen, indem sie sie in unterschiedlicher Anzahl und Ausrichtung tesselierten. Wie die Forscher in ihrer Arbeit erklären, wollten sie „die statistische Mechanik von Ensembles dicht gepackter chiraler Kacheln, die endlichen räumlichen Grenzen unterliegen, erforschen und die ihnen innewohnende chirale Natur aufdecken.“
Da Sphinxfliesen asymmetrisch sind, können sie im Vergleich zu etwas so Einfachem wie einem Quadrat auf viele verschiedene Arten zusammenpassen. Beispielsweise können nur zwei Sphinxplättchen auf mehr als 45 verschiedene Arten zu einem Paar kombiniert werden, während zwei Quadrate nur in einer Richtung zusammenpassen können.
Wenn die Anzahl der Sphinxen in einem Muster zunimmt, verbinden sie sich auf superexponentielle Weise und geben den Forschern Zugang zu einem großen, theoretisch zufälligen System, mit dem sie arbeiten können.
Huber und Kollegen modellierten die Wechselwirkungen zwischen chiralen Sphinxen unter Bedingungen hoher und niedriger Energie, ähnlich der Temperatur. In Hochtemperatursystemen hatten chirale Sphinxen kaum eine Chance zur Interaktion, da sie sich an ihren Platz drängten und am Ende ein durcheinandergebrachtes Muster bildeten.
Mit sinkenden Temperaturen wurden die Wechselwirkungen geordneter und Sphinxen gleicher Chiralität schlossen sich zu Clustern zusammen, die im Diagramm oben zu sehen sind.
Überraschenderweise neigten jedoch in Hochtemperatursystemen, die durch eine symmetrische Außengrenze eingeschränkt sind – wie in einem überfüllten Raum – auch Sphinxen derselben Chiralität dazu, sich zusammenzuballen, wie im Diagramm unten gezeigt.
Selbst in einem so einfachen, reduzierten Chiralitätsmodell zeigt die Modellierung, dass aus dem Chaos Muster entstehen können und dass gleiche Moleküle sich scheinbar zu Gleichem hingezogen fühlen.
Die Entdeckung der Regeln hinter diesen geometrischen Mustern könnte Forschern in vielen Bereichen der Wissenschaft helfen, möglicherweise die Struktur der Außenhüllen von Viren zu verstehen oder wie Magnetismus eine Kettenreaktion ausgelöst haben könnte, die letztendlich dem Leben seine molekulare Asymmetrie verlieh.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Forschung zur körperlichen Überprüfung.