Un team di ricercatori ha scoperto un nuovo modo in cui le molecole possono interagire in modo non reciproco senza forze esterne, attraverso un meccanismo che coinvolge l’asimmetria cinetica. Questa scoperta sfida le visioni tradizionali sulle interazioni molecolari e potrebbe avere profonde implicazioni per la comprensione dell’evoluzione della vita e la progettazione di macchine molecolari.
Gli scienziati hanno scoperto che le molecole possono interagire in modo non reciproco senza forze esterne, una scoperta che potrebbe cambiare la nostra comprensione delle interazioni molecolari e dell’evoluzione della vita.
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.
In un lavoro pubblicato sulla prestigiosa rivista Chem di Cell Press, 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 avere una situazione in cui una molecola viene respinta, ma attrae un’altra molecola.
Asimmetria cinetica: un fattore chiave
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.
Un grafico che illustra le quattro possibili interazioni tra due particelle, dove le frecce indicano la forza subita dalla particella di quel colore a causa del gradiente che circonda la particella dell’altro colore. Le interazioni mostrate negli angoli in alto a sinistra e in basso a destra illustrano le interazioni reciproche in cui le due particelle si attraggono o si respingono, rispettivamente. Il grafico in alto a destra illustra una situazione in cui la particella rossa attrae la particella blu, ma la particella blu respinge la particella rossa. Il grafico in basso a sinistra illustra una situazione in cui la particella rossa respinge, ma è attratta, la particella blu. Grafica R. Dean Astumian. Credito: R. Dean Astumian
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 venivano 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.
Impatto dell’asimmetria cinetica sulle macchine biomolecolari
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”.
Riferimento: “A molecular origin of non-reciprocal interactions between interacting active catalysts” di Niladri Sekhar Mandal, Ayusman Sen e R. Dean Astumian, 29 dicembre 2023, Chem .
DOI: 10.1016/j.chempr.2023.11.017
Astumian è entrato a far parte del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’UMaine nel 2001. La sua ricerca si concentra sulla biofisica, sulla fisica della materia condensata e sulle macchine molecolari guidate chimicamente.
È stato nominato membro dell’American Association for the Advancement of Science (AAAS) nel 2016. I suoi altri riconoscimenti includono il Premio Galvani della Bio-electrochemical Society, il Premio Humboldt, il Premio Feynman e il Premio Horizon della Royal Society of Chemistry. , il Premio Perkin in chimica fisica organica.
