Las biomoléculas como los aminoácidos y los azúcares se presentan en dos formas especulares; sin embargo, en todos los organismos vivos sólo se encuentra una. Aún no está claro por qué ocurre esto. Investigadores de Empa y Forschungszentrum Jülich en Alemania han encontrado pruebas de que la interacción entre los campos eléctricos y magnéticos podría estar en el origen de este fenómeno.
La llamada homoquiralidad de la vida (el hecho de que todas las biomoléculas de los organismos vivos sólo se presenten en una de dos formas especulares) ha desconcertado a varias luminarias científicas, desde el descubridor de la quiralidad molecular, Louis Pasteur, hasta William Thomson ( Lord Kelvin) y el premio Nobel Pierre Curie.
Todavía falta una explicación concluyente, ya que ambas formas tienen, por ejemplo, la misma estabilidad química y no se diferencian entre sí en sus propiedades fisicoquímicas. Sin embargo, la hipótesis de que la interacción entre los campos eléctricos y magnéticos podría explicar la preferencia por una u otra forma especular de una molécula (los llamados enantiómeros) surgió desde el principio.
Sin embargo, sólo hace unos años surgió la primera evidencia indirecta de que las distintas combinaciones de estos campos de fuerza pueden efectivamente "distinguir" entre las dos imágenes especulares de una molécula. Esto se logró estudiando la interacción de moléculas quirales con superficies metálicas que exhiben un fuerte campo eléctrico en distancias cortas.
Las superficies de metales magnéticos como el hierro, el cobalto o el níquel permiten combinar campos eléctricos y magnéticos de diversas maneras:la dirección de la magnetización simplemente se invierte, de "Norte arriba-Sur abajo" a "Sur arriba-Norte abajo".
Si la interacción entre el magnetismo y los campos eléctricos realmente desencadena efectos "enantioselectivos", entonces la fuerza de la interacción entre las moléculas quirales y las superficies magnéticas también debería ser diferente, por ejemplo, dependiendo de si una molécula diestra o zurda "se asienta" sobre la superficie.
Y este es efectivamente el caso, como informaron en la revista Advanced Materials
El equipo cubrió una superficie de cobre (no magnética) con pequeñas "islas" ultrafinas de cobalto magnético y determinó la dirección del campo magnético en ellas utilizando microscopía de efecto túnel de barrido polarizado por espín; Como se mencionó anteriormente, esto puede correr en dos direcciones diferentes perpendiculares a la superficie del metal:Norte hacia arriba o Sur hacia arriba. Luego depositaron moléculas quirales en forma de espiral (una mezcla 1:1 de moléculas de heptaheliceno izquierdas y derechas) en estas islas de cobalto en un vacío ultraalto.
Luego, "simplemente" contaron el número de moléculas de heliceno derechas e izquierdas en las islas de cobalto magnetizadas de manera diferente, casi 800 moléculas en total, nuevamente utilizando microscopía de efecto túnel. Y he aquí que, dependiendo de la dirección del campo magnético, una u otra forma de espirales de heliceno se había asentado preferentemente.
Además, los experimentos demostraron que la selección, es decir, la preferencia por uno u otro enantiómero, no sólo se produce durante la unión en las islas de cobalto, sino también antes.
Antes de que las moléculas ocupen su posición final (preferida) en una de las islas de cobalto, migran largas distancias a través de la superficie del cobre en un estado precursor ligado significativamente más débil en "búsqueda" de una posición ideal. Sólo están unidos a la superficie por las llamadas fuerzas de Van der Waals. Estos se deben simplemente a fluctuaciones en la capa electrónica de átomos y moléculas y, por lo tanto, son relativamente débiles. Hasta ahora no se sabía que también estos están influenciados por el magnetismo, es decir, el sentido de rotación (spin) de los electrones.
Utilizando microscopía de efecto túnel, los investigadores también pudieron resolver otro misterio, como informaron en la revista Small. en noviembre de 2023. Transporte de electrones, es decir. corriente eléctrica—también depende de la combinación de la lateralidad molecular y la magnetización de la superficie.
Dependiendo de la lateralidad de la molécula unida, los electrones con una dirección de espín fluyen preferentemente (o "túnel") a través de la molécula, lo que significa que los electrones con el espín "incorrecto" se filtran. Esta selectividad de espín inducida por la quiralidad ya se había observado en estudios anteriores, pero aún no estaba claro si para ello es necesario un conjunto de moléculas o si las moléculas individuales también presentan este efecto.
Ernst y sus colegas han podido demostrar ahora que las moléculas individuales de heliceno también presentan el efecto CISS. "Pero todavía no se comprende la física detrás de esto", admite Ernst.
El investigador de Empa también cree que sus hallazgos finalmente no podrán responder plenamente a la cuestión de la quiralidad de la vida. En otras palabras, la cuestión que el premio Nobel de química y químico de la ETH Vladimir Prelog describió como "uno de los primeros problemas de la teología molecular" en su conferencia del Premio Nobel en 1975.
Pero Ernst puede imaginar que en ciertas reacciones químicas catalizadas en la superficie, como las que podrían haber tenido lugar en la "sopa primordial" química de la Tierra primitiva, una cierta combinación de campos eléctricos y magnéticos podría haber conducido a una acumulación constante de uno. forma u otra de las diversas biomoléculas y, por tanto, en última instancia, a la lateralidad de la vida.
Más información: Mohammad Reza Safari et al, Adsorción enantioselectiva en superficies magnéticas, Materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202308666
Proporcionado por los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales
