Moléculas exibem interações não recíprocas sem forças externas, segundo novo estudo
Um gráfico que ilustra as quatro interações possíveis entre duas partículas, onde as setas indicam a força experimentada pela partícula daquela cor devido ao gradiente que envolve a partícula da outra cor. As interações mostradas nos cantos superior esquerdo e inferior direito ilustram interações recíprocas onde as duas partículas se atraem ou se repelem, respectivamente. O gráfico superior direito ilustra uma situação em que a partícula vermelha atrai a partícula azul, mas a partícula azul repele a partícula vermelha. O gráfico inferior esquerdo ilustra uma situação em que a partícula vermelha se repele, mas é atraída pela partícula azul. Crédito:R. Dean Astumian Pesquisadores da Universidade do Maine e da Penn State descobriram que as moléculas experimentam interações não recíprocas sem forças externas.
Forças fundamentais como a gravidade e o eletromagnetismo são recíprocas, onde dois objetos são atraídos um pelo outro ou são repelidos um pelo outro. Na nossa experiência quotidiana, contudo, as interacções não parecem seguir esta lei recíproca.
Por exemplo, um predador é atraído por uma presa, mas a presa tende a fugir do predador. Essas interações não recíprocas são essenciais para o comportamento complexo associado aos organismos vivos. Para sistemas microscópicos como as bactérias, o mecanismo de interações não recíprocas foi explicado por forças hidrodinâmicas ou outras forças externas, e pensava-se anteriormente que tipos semelhantes de forças poderiam explicar as interações entre moléculas individuais.
Em trabalho publicado em Chem , o físico teórico da UMaine R. Dean Astumian e os colaboradores Ayusman Sen e Niladri Sekhar Mandal da Penn State publicaram um mecanismo diferente pelo qual moléculas únicas podem interagir de forma não recíproca, sem efeitos hidrodinâmicos.
Este mecanismo invoca gradientes locais de reagentes e produtos devido às reações facilitadas por cada catalisador químico, um exemplo biológico dos quais é uma enzima. Como a resposta de um catalisador ao gradiente depende das propriedades do catalisador, é possível ter uma situação em que uma molécula é repelida, mas atrai outra molécula.
O "momento Eureka" dos autores ocorreu quando, em sua discussão, eles perceberam que uma propriedade de todo catalisador conhecida como assimetria cinética controla a direção da resposta a um gradiente de concentração. Como a assimetria cinética é uma propriedade da própria enzima, ela pode sofrer evolução e adaptação.
As interações não recíprocas permitidas pela assimetria cinética também desempenham um papel crucial ao permitir que as moléculas interajam umas com as outras e podem ter desempenhado um papel crítico nos processos pelos quais a matéria simples se torna complexa.
Muitos trabalhos anteriores foram feitos por outros pesquisadores sobre o que acontece quando ocorrem interações não recíprocas. Esses esforços desempenharam um papel central no desenvolvimento de um campo conhecido como “matéria ativa”. Neste trabalho anterior, as interações não recíprocas foram introduzidas pela incorporação de forças ad hoc.
A pesquisa descrita por Mandal, Sen e Astumian, entretanto, descreve um mecanismo molecular básico pelo qual tais interações podem surgir entre moléculas individuais. Esta pesquisa baseia-se em trabalhos anteriores nos quais os mesmos autores mostraram como uma única molécula catalisadora poderia usar a energia da reação que catalisou para sofrer movimento direcional em um gradiente de concentração.
A assimetria cinética que caracteriza a determinação das interações não recíprocas entre diferentes catalisadores também se mostrou importante para a direcionalidade de máquinas biomoleculares e foi incorporada no projeto de motores e bombas moleculares sintéticas.
A colaboração entre Astumian, Sen e Mandal visa revelar os princípios organizacionais por trás de associações frouxas de diferentes catalisadores que podem ter formado as primeiras estruturas metabólicas que eventualmente levaram à evolução da vida.
“Estamos nas fases iniciais deste trabalho, mas vejo a compreensão da assimetria cinética como uma possível oportunidade para compreender como a vida evoluiu a partir de moléculas simples”, diz Astumian. "Não só pode fornecer informações sobre a complexificação da matéria, como a assimetria cinética também pode ser usada no projeto de máquinas moleculares e tecnologias associadas."
Mais informações: Niladri Sekhar Mandal et al, Uma origem molecular de interações não recíprocas entre catalisadores ativos em interação, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017 Informações do diário: Química
