I ricercatori dell'Università del Maine e della Penn State hanno scoperto che le molecole sperimentano interazioni non reciproche senza forze esterne.
Le forze fondamentali come la gravità e l'elettromagnetismo sono reciproche, dove due oggetti sono attratti l'uno dall'altro o si respingono l'uno dall'altro. Nella nostra esperienza quotidiana, però, le interazioni non sembrano seguire questa legge di reciprocità.
Ad esempio, un predatore è attratto dalla preda, ma la preda tende a fuggire dal predatore. Tali interazioni non reciproche sono essenziali per il comportamento complesso associato agli organismi viventi. Per i sistemi microscopici come i batteri, il meccanismo delle interazioni non reciproche è stato spiegato da forze idrodinamiche o altre forze esterne, e in precedenza si pensava che tipi simili di forze potessero spiegare le interazioni tra singole molecole.
Nel lavoro pubblicato su Chem , il fisico teorico dell'UMaine R. Dean Astumian e i collaboratori Ayusman Sen e Niladri Sekhar Mandal della Penn State hanno pubblicato un diverso meccanismo mediante il quale le singole molecole possono interagire in modo non reciproco senza effetti idrodinamici.
Questo meccanismo richiama i gradienti locali di reagenti e prodotti dovuti alle reazioni facilitate da ogni catalizzatore chimico, un esempio biologico del quale è un enzima. Poiché la risposta di un catalizzatore al gradiente dipende dalle proprietà del catalizzatore, è possibile che si verifichi una situazione in cui una molecola viene respinta ma attratta da un'altra molecola.
Il "momento Eureka" degli autori si è verificato quando, nella loro discussione, si sono resi conto che una proprietà di ogni catalizzatore nota come asimmetria cinetica controlla la direzione della risposta a un gradiente di concentrazione. Poiché l'asimmetria cinetica è una proprietà dell'enzima stesso, può subire evoluzione e adattamento.
Anche le interazioni non reciproche consentite dall'asimmetria cinetica svolgono un ruolo cruciale nel consentire alle molecole di interagire tra loro e potrebbero aver svolto un ruolo fondamentale nei processi attraverso i quali la materia semplice diventa complessa.
Molto lavoro precedente è stato svolto da altri ricercatori su cosa succede quando si verificano interazioni non reciproche. Questi sforzi hanno svolto un ruolo centrale nello sviluppo di un campo noto come “materia attiva”. In questo lavoro precedente, le interazioni non reciproche sono state introdotte incorporando forze ad hoc.
La ricerca descritta da Mandal, Sen e Astumian, tuttavia, descrive un meccanismo molecolare di base attraverso il quale tali interazioni possono verificarsi tra singole molecole. Questa ricerca si basa su lavori precedenti in cui gli stessi autori hanno mostrato come una singola molecola catalizzatrice potrebbe utilizzare l'energia della reazione catalizzata per subire un movimento direzionale in un gradiente di concentrazione.
L'asimmetria cinetica che determina le interazioni non reciproche tra diversi catalizzatori ha dimostrato di essere importante anche per la direzionalità delle macchine biomolecolari ed è stata incorporata nella progettazione di motori e pompe molecolari sintetici.
La collaborazione tra Astumian, Sen e Mandal mira a rivelare i principi organizzativi dietro le associazioni libere di diversi catalizzatori che potrebbero aver formato le prime strutture metaboliche che alla fine portarono all'evoluzione della vita.
"Siamo alle fasi iniziali di questo lavoro, ma vedo la comprensione dell'asimmetria cinetica come una possibile opportunità per comprendere come la vita si è evoluta da molecole semplici", afferma Astumian. "Non solo può fornire informazioni sulla complessificazione della materia, ma l'asimmetria cinetica può anche essere utilizzata nella progettazione di macchine molecolari e tecnologie associate."
Ulteriori informazioni: Niladri Sekhar Mandal et al, Un'origine molecolare di interazioni non reciproche tra catalizzatori attivi interagenti, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017
Informazioni sul giornale: Chimica
Fornito dall'Università del Maine
