Los científicos han descubierto que las moléculas pueden interactuar de forma no interactiva sin fuerzas externas, un descubrimiento que podría cambiar nuestra comprensión de las interacciones moleculares y la evolución de la vida. Investigadores de la Universidad de Maine y la Universidad Estatal de Pensilvania han descubierto que las moléculas pueden interactuar de forma no interactiva sin fuerzas externas.

Las fuerzas fundamentales como la gravedad y el electromagnetismo son interactivas, lo que significa que dos objetos se atraen o se repelen. Sin embargo, en nuestra experiencia cotidiana, las interacciones no parecen seguir esta equivalencia. Por ejemplo, los depredadores se sienten atraídos por sus presas, pero las presas tienden a huir del depredador. Estas interacciones no recíprocas son cruciales para el complejo comportamiento de los organismos.

Para sistemas microscópicos como las bacterias, los mecanismos de las interacciones no interactivas se han explicado mediante fuerzas hidrodinámicas u otras fuerzas externas, y anteriormente se pensaba que tipos similares de fuerzas explicaban las interacciones entre moléculas individuales.

El físico teórico R. Dean Astumian de la Universidad Estatal de Pensilvania y sus colaboradores Ayusman Sen y Niladri Sekhar Mandal publicaron el resultado de su investigación en la famosa revista Cell Press "Chem" (Chem).

Este mecanismo cita gradientes locales de reactivos y productos debido a que cada catalizador químico facilita la reacción (un ejemplo de biocatalizador es una enzima). Dado que la respuesta de un catalizador a un gradiente depende de las propiedades del catalizador, es posible que una molécula sea repelida por otra molécula pero también atraída por otra.

factores clave:Asimetría dinámica

Durante la discusión, los autores se dieron cuenta de que cada catalizador tiene una propiedad llamada "asimetría cinética" que controla la dirección de la reacción contra un gradiente de concentración. Este es el "momento Eureka". Debido a que la asimetría cinética es una propiedad de la propia enzima, ésta puede evolucionar y adaptarse. Las interacciones no equivalentes permitidas por las asimetrías dinámicas también desempeñan un papel crucial en las interacciones entre moléculas y pueden desempeñar un papel crucial en el proceso por el cual las sustancias simples se vuelven complejas.

El diagrama ilustra las cuatro posibles interacciones entre dos partículas, con flechas que indican las fuerzas sobre una partícula de ese color debido al gradiente alrededor de una partícula de otro color. Las interacciones que se muestran en las esquinas superior izquierda e inferior derecha representan interacciones en las que dos partículas se atraen o se repelen, respectivamente. El gráfico en la esquina superior derecha muestra la situación en la que las partículas rojas atraen a las azules, pero las azules repelen las rojas. El gráfico de la parte inferior izquierda muestra partículas rojas que repelen las partículas azules, pero las partículas azules son atraídas por las partículas rojas. Imagen cortesía de R. Dean Astumian. Fuente de la imagen: r.

Otros investigadores han realizado muchos trabajos previos sobre lo que sucede cuando ocurren interacciones no recíprocas. Este trabajo ha jugado un papel central en el desarrollo del campo de la "materia activa". En estos primeros estudios, se introdujeron interacciones no interactivas agregando fuerzas ad hoc.

Sin embargo, la investigación de Mandal, Sen y Astoumian describe el mecanismo molecular básico que produce esta interacción entre moléculas individuales. A partir de este estudio, los mismos autores también demostraron cómo las moléculas catalíticas individuales pueden utilizar la energía generada por sus reacciones catalíticas para llevar a cabo un movimiento direccional en un gradiente de concentración.

Implicaciones para las máquinas biomoleculares y los primeros años de vida.

También se ha demostrado que las asimetrías cinéticas que determinan las interacciones no interactivas entre diferentes catalizadores son importantes para la direccionalidad de las máquinas biomoleculares y se han incorporado al diseño de bombas y motores moleculares sintéticos.

La colaboración entre Astoumian, Sen y Mandal tiene como objetivo revelar los principios organizadores detrás de la asociación flexible de diferentes catalizadores que pueden haber formado las primeras estructuras metabólicas que finalmente condujeron a la evolución de la vida.

"Todavía estamos en las etapas iniciales de este trabajo, pero creo que comprender las asimetrías dinámicas es una posible oportunidad para comprender cómo evolucionó la vida a partir de moléculas simples. No sólo nos dará una idea de la complejidad de la materia, sino que las asimetrías dinámicas también se pueden utilizar en el diseño de máquinas moleculares y tecnologías relacionadas", dijo Astumian.

Referencias "Orígenes moleculares de interacciones no recíprocas entre catalizadores activos que interactúan" por Niladri Sekhar Mandal, Ayusman Sen y R. Dean Astumian, 29 de diciembre de 2023, Chem.

DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017

Fuente compilada: ScitechDaily