Os cientistas descobriram que as moléculas podem interagir de uma forma não interativa, sem forças externas, uma descoberta que pode mudar a nossa compreensão das interações moleculares e da evolução da vida. Pesquisadores da Universidade do Maine e da Universidade Estadual da Pensilvânia descobriram que as moléculas podem interagir de maneira não interativa, sem forças externas.

Forças fundamentais como a gravidade e o eletromagnetismo são interativas, o que significa que dois objetos se atraem ou se repelem. Contudo, na nossa experiência quotidiana, as interações não parecem seguir esta equivalência. Por exemplo, os predadores são atraídos pelas presas, mas as presas tendem a fugir do predador. Essas interações não recíprocas são cruciais para o comportamento complexo dos organismos.

Para sistemas microscópicos como as bactérias, os mecanismos de interações não interativas foram explicados por forças hidrodinâmicas ou outras forças externas, e pensava-se anteriormente que tipos semelhantes de forças explicavam as interações entre moléculas individuais.

O físico teórico R. Dean Astumian, da Universidade Estadual da Pensilvânia, e seus colaboradores Ayusman Sen e Niladri Sekhar Mandal publicaram o resultado de uma pesquisa na famosa revista Cell Press "Chem" (Chem).

Este mecanismo cita gradientes locais de reagentes e produtos devido à reação ser facilitada por cada catalisador químico (um exemplo de biocatalisador é uma enzima). Como a resposta de um catalisador a um gradiente depende das propriedades do catalisador, é possível que uma molécula seja repelida por outra molécula, mas também atraída por outra.

fatores-chave:Assimetria dinâmica

Os autores perceberam durante a discussão que todo catalisador possui uma propriedade chamada “assimetria cinética” que controla a direção da reação contra um gradiente de concentração. Este é o “momento Eureka”. Como a assimetria cinética é uma propriedade da própria enzima, ela pode evoluir e se adaptar. As interações não equivalentes permitidas pelas assimetrias dinâmicas também desempenham um papel crucial nas interações entre moléculas e podem desempenhar um papel crucial no processo pelo qual substâncias simples se tornam complexas.

O diagrama ilustra as quatro interações possíveis entre duas partículas, com setas indicando as forças sobre uma partícula daquela cor devido ao gradiente em torno de uma partícula de outra cor. As interações mostradas nos cantos superior esquerdo e inferior direito representam interações nas quais duas partículas se atraem ou se repelem, respectivamente. O gráfico no canto superior direito mostra a situação em que as partículas vermelhas atraem as partículas azuis, mas as partículas azuis repelem as vermelhas. O gráfico no canto inferior esquerdo mostra partículas vermelhas repelindo partículas azuis, mas partículas azuis são atraídas por partículas vermelhas. Imagem cortesia de R. Dean Astumian. Fonte da imagem: R.

Muitos trabalhos anteriores foram feitos por outros pesquisadores sobre o que acontece quando ocorrem interações não recíprocas. Este trabalho desempenhou um papel central no desenvolvimento do campo da “matéria ativa”. Nestes primeiros estudos, interações não interativas foram introduzidas pela adição de forças ad hoc.

No entanto, a pesquisa de Mandal, Sen e Astoumian descreve o mecanismo molecular básico que produz esta interação entre moléculas individuais. Com base neste estudo, os mesmos autores também mostraram como moléculas catalíticas individuais podem usar a energia gerada por suas reações catalíticas para realizar movimentos direcionais em um gradiente de concentração.

Implicações para máquinas biomoleculares e início da vida

As assimetrias cinéticas que determinam interações não interativas entre diferentes catalisadores também se mostraram importantes para a direcionalidade de máquinas biomoleculares e foram incorporadas ao projeto de motores e bombas moleculares sintéticas.

A colaboração entre Astoumian, Sen e Mandal visa revelar os princípios organizadores por trás da associação frouxa de diferentes catalisadores que podem ter formado as primeiras estruturas metabólicas que levaram à evolução da vida.

"Ainda estamos nos estágios iniciais deste trabalho, mas acho que compreender as assimetrias dinâmicas é uma possível oportunidade para entender como a vida evoluiu a partir de moléculas simples. Não só nos dará insights sobre a complexidade da matéria, como as assimetrias dinâmicas também podem ser usadas no projeto de máquinas moleculares e tecnologias relacionadas", disse Astumian.

Referências "Origens moleculares de interações não recíprocas entre catalisadores ativos em interação" por Niladri Sekhar Mandal, Ayusman Sen e R. Dean Astumian, 29 de dezembro de 2023, Chem.

DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017

Fonte compilada: ScitechDaily