Biomoléculas como aminoácidos e açúcares ocorrem em duas formas espelhadas – em todos os organismos vivos, entretanto, apenas uma é encontrada. Por que isso acontece ainda não está claro. Investigadores da Empa e do Forschungszentrum Jülich, na Alemanha, encontraram agora evidências de que a interação entre os campos elétricos e magnéticos pode estar na origem deste fenómeno.



A chamada homoquiralidade da vida - o fato de que todas as biomoléculas nos organismos vivos só ocorrem em uma das duas formas de imagem espelhada - intrigou vários luminares científicos, desde o descobridor da quiralidade molecular, Louis Pasteur, até William Thomson ( Lord Kelvin) e o ganhador do Prêmio Nobel Pierre Curie.

Ainda falta uma explicação conclusiva, pois ambas as formas têm, por exemplo, a mesma estabilidade química e não diferem entre si nas suas propriedades físico-químicas. A hipótese, no entanto, de que a interação entre campos elétricos e magnéticos poderia explicar a preferência por uma ou outra forma de imagem espelhada de uma molécula – os chamados enantiômeros – surgiu cedo.

Foi apenas há alguns anos, porém, que surgiu a primeira evidência indirecta de que as várias combinações destes campos de força podem de facto “distinguir” entre as duas imagens espelhadas de uma molécula. Isto foi conseguido através do estudo da interação de moléculas quirais com superfícies metálicas que exibem um forte campo elétrico em curtas distâncias.

As superfícies de metais magnéticos como ferro, cobalto ou níquel permitem assim que os campos elétricos e magnéticos sejam combinados de várias maneiras - a direção da magnetização é simplesmente invertida, de "Norte para cima - Sul para baixo" para "Sul para cima - Norte para baixo".

Se a interação entre magnetismo e campos elétricos realmente desencadeia efeitos "enantiosseletivos", então a força da interação entre moléculas quirais e superfícies magnéticas também deveria diferir, por exemplo - dependendo se uma molécula destra ou canhota "se fixa" em a superfície.

Imagens espelhadas preferem campos magnéticos opostos

E este é realmente o caso, como relatou uma equipe de pesquisadores liderada por Karl-Heinz Ernst do laboratório de Ciência de Superfícies e Tecnologias de Revestimento da Empa e colegas do Instituto Peter Grünberg em Forschungszentrum Jülich, na Alemanha, na revista Advanced Materials<. /eu> .

A equipe revestiu uma superfície de cobre (não magnética) com pequenas "ilhas" ultrafinas de cobalto magnético e determinou a direção do campo magnético nelas usando microscopia de tunelamento de varredura polarizada por spin; como mencionado anteriormente, isso pode ocorrer em duas direções diferentes perpendiculares à superfície do metal:Norte para cima ou Sul para cima. Eles então depositaram moléculas quirais em forma de espiral – uma mistura 1:1 de moléculas de heptaheliceno destro e canhoto – nessas ilhas de cobalto em vácuo ultra-alto.

Em seguida, eles "simplesmente" contaram o número de moléculas de heliceno destras e canhotas nas ilhas de cobalto magnetizadas de forma diferente, quase 800 moléculas no total, novamente usando microscopia de varredura por tunelamento. E eis que:dependendo da direção do campo magnético, uma ou outra forma das espirais de heliceno se estabeleceram preferencialmente.

Além disso, os experimentos mostraram que a seleção – a preferência por um ou outro enantiômero – não ocorre apenas durante a ligação nas ilhas de cobalto, mas já antes.

Antes de as moléculas assumirem a sua posição final (preferida) numa das ilhas de cobalto, elas migram longas distâncias através da superfície do cobre num estado precursor ligado significativamente mais fraco, em "busca" de uma posição ideal. Eles estão ligados à superfície apenas pelas chamadas forças de van der Waals. Estes são meramente causados ​​por flutuações na camada eletrônica de átomos e moléculas e são, portanto, relativamente fracos. O fato de que mesmo estes são influenciados pelo magnetismo, ou seja, a direção de rotação (spin) dos elétrons, não era conhecido até agora.

Elétrons com spin 'errado' são filtrados

Usando microscopia de varredura por tunelamento, os pesquisadores também conseguiram resolver outro mistério, conforme relatado na revista Small em novembro de 2023. Transporte de elétrons - ou seja, corrente elétrica – também depende da combinação de lateralidade molecular e magnetização da superfície.

Dependendo da lateralidade da molécula ligada, os elétrons com uma direção de spin fluem preferencialmente - ou "túnel" - através da molécula, o que significa que os elétrons com o spin "errado" são filtrados. Esta seletividade de spin induzida pela quiralidade já havia sido observada em estudos anteriores, mas ainda não estava claro se um conjunto de moléculas é necessário para isso ou se moléculas individuais também exibem esse efeito.

Ernst e seus colegas conseguiram agora mostrar que moléculas individuais de heliceno também exibem o efeito CISS. “Mas a física por trás disso ainda não é compreendida”, admite Ernst.

O investigador da Empa também acredita que as suas descobertas eventualmente não conseguem responder plenamente à questão da quiralidade da vida. Em outras palavras, a questão que o ganhador do Prêmio Nobel de Química e químico da ETH, Vladimir Prelog, descreveu como “um dos primeiros problemas da teologia molecular” em sua palestra sobre o Prêmio Nobel em 1975.

Mas Ernst pode imaginar que em certas reações químicas catalisadas na superfície – como aquelas que poderiam ter ocorrido na “sopa primordial” química da Terra primitiva – uma certa combinação de campos elétricos e magnéticos poderia ter levado a um acúmulo constante de um forma ou outra das várias biomoléculas – e, portanto, em última análise, à lateralidade da vida.

Mais informações: Mohammad Reza Safari et al, Adsorção Enantiosseletiva em Superfícies Magnéticas, Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202308666
Fornecido pelos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais