Investigadores de la Universidad de Maine y Penn State descubrieron que las moléculas experimentan interacciones no recíprocas sin fuerzas externas.
Las fuerzas fundamentales como la gravedad y el electromagnetismo son recíprocas, donde dos objetos se atraen o se repelen entre sí. Sin embargo, en nuestra experiencia cotidiana, las interacciones no parecen seguir esta ley recíproca.
Por ejemplo, un depredador se siente atraído por su presa, pero la presa tiende a huir del depredador. Estas interacciones no recíprocas son esenciales para el comportamiento complejo asociado con los organismos vivos. Para sistemas microscópicos como las bacterias, el mecanismo de interacciones no recíprocas se ha explicado mediante fuerzas hidrodinámicas u otras fuerzas externas, y anteriormente se pensaba que tipos similares de fuerzas podrían explicar las interacciones entre moléculas individuales.
En un trabajo publicado en Chem , el físico teórico de la Universidad de Maine R. Dean Astumian y sus colaboradores Ayusman Sen y Niladri Sekhar Mandal de Penn State han publicado un mecanismo diferente mediante el cual moléculas individuales pueden interactuar de forma no recíproca sin efectos hidrodinámicos.
Este mecanismo invoca los gradientes locales de reactivos y productos debido a las reacciones facilitadas por cada catalizador químico, un ejemplo biológico de lo cual es una enzima. Debido a que la respuesta de un catalizador al gradiente depende de las propiedades del catalizador, es posible tener una situación en la que una molécula sea repelida pero atraiga a otra molécula.
El "momento Eureka" de los autores se produjo cuando, en su discusión, se dieron cuenta de que una propiedad de cada catalizador conocida como asimetría cinética controla la dirección de respuesta a un gradiente de concentración. Debido a que la asimetría cinética es una propiedad de la propia enzima, ésta puede sufrir evolución y adaptación.
Las interacciones no recíprocas permitidas por la asimetría cinética también juegan un papel crucial al permitir que las moléculas interactúen entre sí y pueden haber jugado un papel crítico en los procesos por los cuales la materia simple se vuelve compleja.
Otros investigadores han realizado muchos trabajos previos sobre lo que sucede cuando ocurren interacciones no recíprocas. Estos esfuerzos han jugado un papel central en el desarrollo de un campo conocido como "materia activa". En este trabajo anterior, las interacciones no recíprocas se introdujeron mediante la incorporación de fuerzas ad hoc.
Sin embargo, la investigación descrita por Mandal, Sen y Astumian describe un mecanismo molecular básico mediante el cual pueden surgir tales interacciones entre moléculas individuales. Esta investigación se basa en trabajos anteriores en los que los mismos autores mostraron cómo una única molécula de catalizador podría utilizar la energía de la reacción que catalizó para experimentar un movimiento direccional en un gradiente de concentración.
También se ha demostrado que la asimetría cinética que aparece en la determinación de las interacciones no recíprocas entre diferentes catalizadores es importante para la direccionalidad de las máquinas biomoleculares y se ha incorporado en el diseño de bombas y motores moleculares sintéticos.
La colaboración entre Astumian, Sen y Mandal tiene como objetivo revelar los principios organizativos detrás de las asociaciones flexibles de diferentes catalizadores que pueden haber formado las primeras estructuras metabólicas que eventualmente condujeron a la evolución de la vida.
"Estamos en las primeras etapas de este trabajo, pero veo que comprender la asimetría cinética es una posible oportunidad para comprender cómo evolucionó la vida a partir de moléculas simples", dice Astumian. "No sólo puede proporcionar información sobre la complejidad de la materia, sino que la asimetría cinética también puede utilizarse en el diseño de máquinas moleculares y tecnologías asociadas".
Más información: Niladri Sekhar Mandal et al, Un origen molecular de interacciones no recíprocas entre catalizadores activos que interactúan, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017
Información de la revista: Química
Proporcionado por la Universidad de Maine
