Nat. Commun.速递：随机驱动化学系统中的自发手性对称性破缺

摘要

生命系统已经发展到使用复杂的化学反应循环有效地利用可用的能量，令人费解的是，这些化学反应对不对称手性构型有严格的限制。虽然已知自催化（autocatalysis）会促进这种手性对称性破缺（chiral symmetry breaking），但在更通用的构型可变的化学系统类别中是否也可能通过能量利用（energy exploitation）引发类似现象，是一种合理但未被充分认识的可能性。这项工作在随机生成的复杂化学网络模型中检验了这个问题。研究表明，通过利用来自外部环境诱发的能量差异，手性对称性破缺可能会自发且普遍地发生。这种转变的关键是非手性到手性反应的内在涨落（intrinsic fluctuations）以及系统构型与环境驱动的紧密匹配，它们共同放大和维持不同的对映异构体分布。这些不对称状态涌现于相应对称状态的陡峭能量变化，并急剧聚集为高耗散状态。因此，结果证明了一种通用机制，在这种机制中，能量驱动可能会在完全对称的环境中产生纯手性（homochirality），并且从生命早期的角度来看，它可能会成为一种有竞争力的、捕获能量的优势。

研究领域：对称性破缺，手性起源，化学动力学

徐恩峤 | 作者

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Spontaneous chiral symmetry breaking in a random driven chemical system

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29952-8

1. 手性对称性破缺为何普遍存在？

手性（chirality），顾名思义，如同人的双手，在化学中指的是两个分子互为镜像而非同一分子，即无法通过旋转、平移等实际可行操作重合；化学上，这些成对的分子可根据一定规则分别标记为拉丁文简写R（rectus，左）、S（sinister，右）以示构型。互为手性的分子在非手性环境中性质类同，但在手性环境中可能出现完全不同的行为。手性在自然界，尤其是生命体中普遍存在，但是生命体中的手性现象大多呈现“一边倒”的情况——如自然界中几乎仅存在D-葡萄糖*和右旋海螺，这种现象被称为手性对称性破缺（以下简称手性破缺）。

注：糖类按惯例常用D/L标示构型，功能类同，此处不再赘述。

图1. 具有手性的氨基酸分子 | 来源：科学网

仔细考虑就会发现，这个现象并不简单：假使两种物质的化学性质是对称的，直觉上我们会认为它们在生物体中的丰度不应该存在太大的差异。为了解释手性破缺是如何发生的，研究者提出了各种各样的模型。目前已知自催化现象可能是手性破缺的一个来源，然而，大量的化学系统并不具备自催化特性，在这些更广泛的化学系统类型中，手性破缺是否能够自发产生呢？这仍然是一个尚待探索的问题。

2. 能量驱动手性破缺自发产生

本研究提出了一个设置更通用的复杂化学反应的模型，能够在初始完全手性对称的环境中产生手性破缺。图2展示了该模型主要特征，其中A_i是多种非手性组分，R_j和S_j是多对手性组分。可行的化学反应为：1. 通道内同构型（R/S）手性组分间的转化，速率受到环境作用（）的影响，而环境本身又随着组分的变化而变化；2. 非手性组分到各种手性组分的转化，速率存在内在涨落（δ）。

图2. 双通道化学系统模型，一个化学系统（左）可分为两组反应通道（右），通道之间由非手性组分沟通。灰球代表非手性组分；蓝球、红球代表手性组分。双向箭头代表可逆化学反应；通道之间的管路代表手性组分对之间需要经过非手性的化学反应步骤。

研究者使用上述模型进行化学动力学模拟，通过调节不同参数，得到了一系列手性守恒与手性破缺的结果。见图3示例，在守恒和破缺两种情况下，不论各组分浓度还是功率，均会随着化学反应进程推进到达稳态，不同的是，手性守恒情况下，对应通道的浓度和功率均会渐进同一稳态，而手性破缺的结果有显著的分裂现象。具体由图可见：浓度方面，图3b 的手性组分对在反应模拟至 200-400 s 时均发生了程度不等但显著的浓度分裂；功率方面，图3d 的通道在一个亚稳平台后也都发生了分裂，镜像反应的功率不再等同，产生了具有能量优势的主导反应通道。

图3. 化学动力学模拟得到的参数随时间（对数）变化情况。第1行是手性守恒系统，第2行是手性破缺系统；第1列是某次模拟所有组分的浓度变化，第2列是10次不同模拟的功率变化，暗线对应左边展示浓度变化的一次模拟。共2*2=4个子图。b 中的插图特写了手性破缺前后4对代表性手性组分的浓度变化（此处为线性时间轴）。为了清晰的展示，d 图中的结果均来自 R 通道主导的模拟。蓝线为R组分或通道，红色虚线为S组分或通道，浓度图中黑线为非手性组分。

进一步地，研究者尝试挖掘手性破缺现象背后更深刻的机制认识。首先，图4b展示了代表反应能量优势（ΔW）与手性破缺程度（用ee%表示）之间呈现显著的正相关性，而且最终手性破缺与对称是两极分化的；插图可见手性破缺的结果大多集中在 ΔW 较大的区域。而图4c说明手性破缺的系统一般有W_max>>W_sym，即该系统中额外的能量驱动或是手性破缺的重要原因。

图4. 利用的功及其诱导的手性破缺。a 是手性破缺情况下功率与质量分数分裂的情况，其中灰色虚线代表对称状态下的功率，蓝色曲线最高点为最大功率，按相应功率做功 1s 分别为W_sym与W_max。b 、c 以双对数坐标展示了 2000 次相互独立的模拟结果，其中前者是每个反应模拟最大功W_max处的对映体过量百分数（enantiomeric excess percent，ee%）与ΔW之间的关系，后者是ΔW与W_max的关系。灰点、红点分别表示手性守恒与手性破缺结果。插图是按各自横轴百分位数统计的手性破缺模型的相对总体频率，可理解为手性破缺模型（以线性坐标）在横轴参数上的分布。

3. 对称≠稳定

对称，其实往往不意味着稳定。图5的示意给这样的现象作出了很好的解释，尽管在化学反应开始时，该对手性组分的浓度相等，而且在反应进程中大部分的微小涨落将会归于平均，但是如果当反应行进到某一高能量驱动附近，则可以想见必然有一方先行接近该区域，于是两通道的能量地位不再等同，显著的手性破缺将突然发生——而对称在这里仅仅体现为两通道接近该区域的事件是等概率的。

想象一个恰好立在针尖上的乒乓球，这里假设它们的材料都是均匀的，则可以说这个系统是以针为对称轴的。然而，各种微小的涨落使得这样的对称状态会马上被打破，但乒乓球的下落方向却是由随机涨落决定的。生命中的手性，或许在进化中的某一时刻就立在针尖上，从而决定了我们现在所看到的手性现象。

图5. 化学反应中组分状态变化的轨迹示意。图示平面可用于展现任意的化学状态空间，箭头指向化学反应方向，蓝色与红色轨迹分别为R与S通道，黑色轨迹表示不发生手性破缺的化学反应行进轨迹。图中阴影区域表示状态空间中某一特定具有高能量驱动潜力的区域。

论文 Abstract

Living systems have evolved to efficiently consume available energy sources using an elaborate circuitry of chemical reactions which, puzzlingly, bear a strict restriction to asymmetric chiral configurations. While autocatalysis is known to promote such chiral symmetry breaking, whether a similar phenomenon may also be induced in a more general class of configurable chemical systems—via energy exploitation—is a sensible yet underappreciated possibility. This work examines this question within a model of randomly generated complex chemical networks. We show that chiral symmetry breaking may occur spontaneously and generically by harnessing energy sources from external environmental drives. Key to this transition are intrinsic fluctuations of achiral-to-chiral reactions and tight matching of system configurations to the environmental drives, which together amplify and sustain diverged enantiomer distributions. These asymmetric states emerge through steep energetic transitions from the corresponding symmetric states and sharply cluster as highly-dissipating states. The results thus demonstrate a generic mechanism in which energetic drives may give rise to homochirality in an otherwise totally symmetrical environment, and from an early-life perspective, might emerge as a competitive, energy-harvesting advantage.

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