一種叫做“獅身人面像”的形狀可以解釋生物學(xué)中的慣用手

從DNA鏈的螺旋到蛋白質(zhì)的排列積木，生物化學(xué)的曲折和漩渦往往遵循左撇子和右撇子KN的驚人一致的方向擁有 as手性.

最近一項涉及基于三角形的簡單形狀的鑲嵌的研究可能有助于我們更好地理解為什么生物學(xué)偏愛一種方向而不是另一種方向。

這項調(diào)查由來自美國和德國的一小群研究人員進(jìn)行，展示了幾何學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)的結(jié)合如何成為生活中一些最有趣的模式的背后。

“宇宙不應(yīng)該偏愛一只手而不是另一只手，但在尺度上，手性偏好出現(xiàn)了，”Chan Zuckerberg Biohub生物物理學(xué)家Greg Huber說.“手性可能非常神秘。”

就像我們的兩只手舉起手掌一樣，手性分子的鏡像版本無論如何旋轉(zhuǎn)都無法完美地相互對齊。因此，雖然左手和右手分子看起來幾乎相同，但它們對現(xiàn)實世界的影響卻截然不同。使用藥物中分子的翻轉(zhuǎn)版本，例如，可能弊大于利。

不僅僅是有機(jī)分子可以有取向。礦物質(zhì)在生物系統(tǒng)中構(gòu)建時可以是手性的。蝸牛的螺旋形碳酸鈣殼和骨骼中的礦物質(zhì)僅舉兩個例子。

但是這些礦物是如何逐個原子形成的形成結(jié)晶手性形狀只是對手性的另一種好奇心。

為了更好地理解手性的出現(xiàn)，特別是在生物系統(tǒng)的擁擠空間中，Huber及其同事轉(zhuǎn)向了從一系列三角形衍生的最基本的二維手性形狀：一種綽號為獅身人面像的不對稱形狀。

Huber和團(tuán)隊使用計算機(jī)模型來測試獅身人面像瓷磚排列的左手和右手，將它們鑲嵌成不同的數(shù)量和方向。作為研究人員在他們的論文中解釋，他們希望“探索受有限空間邊界限制的密集手性瓷磚集合的統(tǒng)計機(jī)制，并揭示其固有的手性性質(zhì)。

由于不對稱，獅身人面像瓷磚可以以許多不同的方式組合在一起，而像正方形這樣簡單的東西。例如，只有兩個獅身人面像瓷磚可以以超過 45 種不同的方式組合成一對，而兩個方塊只能以一種方式組合在一起。

隨著模式中獅身人面像數(shù)量的增加，它們以超指數(shù)方式組合，使研究人員能夠使用一個大型的、理論上隨機(jī)的系統(tǒng)。

Huber及其同事模擬了手性獅身人面像在高能量和低能量條件下的相互作用，類似于溫度。在高溫系統(tǒng)中，手性獅身人面像幾乎沒有機(jī)會相互作用，因為它們擠到位并最終形成一個混亂的圖案。

隨著溫度的降低，相互作用變得更加有序，具有相同手性的獅身人面像聚集在一起形成簇，如上圖所示。

然而，令人驚訝的是，在受對稱外部邊界約束的高溫系統(tǒng)中——就像在一個擁擠的房間里——具有相同手性的獅身人面像也傾向于聚集在一起，如下圖所示。

即使在這樣一個基本的、精簡的手性模型中，建模也表明模式可以從混沌中產(chǎn)生，并且相似的分子似乎傾向于相似的分子。

發(fā)現(xiàn)這些幾何圖案背后的任何規(guī)則可以幫助許多科學(xué)領(lǐng)域的研究人員理解病毒外衣的結(jié)構(gòu)或如何磁力可能已經(jīng)引發(fā)了最終使生命具有分子不對稱性的連鎖反應(yīng)。

這項研究發(fā)表在物理回顧研究.

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