Científicos de ETH Zurich y la Universidad de Ginebra han desarrollado una nueva técnica que permite observar reacciones químicas que tienen lugar en líquidos con una resolución temporal extremadamente alta. Esta innovación les permite rastrear cómo cambian las moléculas en tan solo unos pocos femtosegundos (en otras palabras, billonésimas de segundo).

Los investigadores han desarrollado una nueva forma de observar reacciones químicas en líquidos, revelando reacciones que involucran moléculas como la urea que pueden haber contribuido al surgimiento de la vida en la Tierra. La técnica implica un instrumento especial que crea pequeños chorros de líquido y espectroscopía de rayos X, lo que permite a los científicos estudiar reacciones que ocurren en tan solo femtosegundos.

Este avance se basa en investigaciones anteriores realizadas por el mismo grupo de investigación dirigido por Hans Jakob Wörner, profesor de química física en ETH Zurich. Este trabajo arrojó resultados similares para reacciones que ocurren en ambientes gaseosos.

Para extender las observaciones espectroscópicas de rayos X a los líquidos, los investigadores tuvieron que diseñar un instrumento capaz de producir chorros de líquido de menos de una micra de diámetro en el vacío. Esto es crucial porque si el chorro fuera más ancho, absorbería algunos de los rayos X utilizados para la medición.

Utilizando este nuevo método, los investigadores pueden obtener información sobre el proceso mediante el cual surgió la vida en la Tierra. Muchos científicos creen que la urea juega un papel clave en esto. La urea es una de las moléculas más simples que contienen carbono y nitrógeno.

Más importante aún, la urea probablemente estaba presente cuando la Tierra era muy joven, como también lo demostró un famoso experimento en la década de 1950: el científico estadounidense Stanley Miller preparó una mezcla de gases que se cree que formaban la atmósfera original de la Tierra y la expuso a condiciones de tormenta. Esto crea una serie de moléculas, una de las cuales es la urea.

Según las teorías actuales, la urea puede haberse enriquecido en charcos cálidos en la entonces sin vida Tierra, a menudo llamada sopa primordial. A medida que el agua de la sopa se evapora, aumenta la concentración de urea. Bajo la influencia de radiaciones ionizantes como los rayos cósmicos, estas ureas concentradas pueden sufrir múltiples pasos de síntesis para producir ácido malónico. Esto, a su vez, puede haber producido los componentes básicos del ARN y el ADN.

Utilizando su nuevo método, investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Ginebra estudiaron el primer paso de esta larga cadena de reacciones químicas para descubrir cómo se comportan las soluciones concentradas de urea cuando se exponen a radiación ionizante.

Debes saber que las moléculas de urea en una solución concentrada de urea formarán pares por sí solas, los llamados dímeros. Los investigadores ahora han podido demostrar que la radiación ionizante hace que un átomo de hidrógeno en cada dímero se mueva de una molécula de urea a otra. De esta manera, una molécula de urea se convierte en una molécula de urea protonada y la otra molécula de urea se convierte en un radical de urea. Este último es altamente reactivo químicamente; de ​​hecho, tan reactivo que es probable que reaccione con otras moléculas para formar ácido malónico.

Los investigadores también lograron demostrar que esta transferencia de átomos de hidrógeno se produce muy rápidamente, tardando sólo unos 150 femtosegundos, o 150 cuatrillones de segundo. "Esta reacción es tan rápida que cualquier otra reacción que teóricamente podría ocurrir es reemplazada por esta reacción", afirma Wörner. "Esto explica por qué una solución concentrada de urea produce radicales de urea en lugar de albergar otras reacciones que producirían otras moléculas".

Wörner y sus colegas esperan estudiar los próximos pasos que conducen a la formación de malonato, con la esperanza de que esto les ayude a comprender los orígenes de la vida en la Tierra.

En cuanto a su nuevo método, también se puede utilizar para estudiar la secuencia precisa de reacciones químicas en líquidos en general. "En los líquidos se producen una serie de reacciones químicas importantes, incluidos no sólo todos los procesos bioquímicos del cuerpo humano, sino también una gran cantidad de síntesis químicas relevantes para la industria", afirmó Werner. "Por eso es tan importante que ahora hayamos ampliado el espectro de espectroscopía de rayos X de alta resolución temporal para incluir también reacciones en líquidos".