Wetenschappers hebben ontdekt dat moleculen op een niet-interactieve manier kunnen interageren zonder externe krachten, een ontdekking die ons begrip van moleculaire interacties en de evolutie van het leven zou kunnen veranderen. Onderzoekers van de Universiteit van Maine en de Pennsylvania State University hebben ontdekt dat moleculen op een niet-interactieve manier kunnen interageren zonder externe krachten.
Fundamentele krachten zoals zwaartekracht en elektromagnetisme zijn interactief, wat betekent dat twee objecten elkaar aantrekken of afstoten. In onze dagelijkse ervaring lijken interacties deze gelijkwaardigheid echter niet te volgen. Roofdieren worden bijvoorbeeld aangetrokken door prooien, maar prooien hebben de neiging om voor het roofdier te vluchten. Dergelijke niet-wederkerige interacties zijn cruciaal voor het complexe gedrag van organismen.
Voor microscopische systemen zoals bacteriën zijn de mechanismen van niet-interactieve interacties verklaard door hydrodynamische krachten of andere externe krachten, en eerder werd gedacht dat soortgelijke soorten krachten de interacties tussen afzonderlijke moleculen zouden verklaren.
Theoretisch natuurkundige R. Dean Astumian van de Pennsylvania State University en zijn medewerkers Ayusman Sen en Niladri Sekhar Mandal publiceerden een onderzoeksresultaat in het beroemde celperstijdschrift "Chem" (Chem).
Dit mechanisme maakt gebruik van lokale gradiënten van reactanten en producten doordat de reactie wordt vergemakkelijkt door elke chemische katalysator (een voorbeeld van een biokatalysator is een enzym). Omdat de reactie van een katalysator op een gradiënt afhangt van de eigenschappen van de katalysator, is het mogelijk dat een molecuul wordt afgestoten door een ander molecuul, maar ook wordt aangetrokken door een ander molecuul.
sleutelfactoren:Dynamische asymmetrie
De auteurs realiseerden zich tijdens de discussie dat elke katalysator een eigenschap heeft die 'kinetische asymmetrie' wordt genoemd en die de richting van de reactie regelt tegen een concentratiegradiënt in. Dit is het ‘Eureka-moment’. Omdat kinetische asymmetrie een eigenschap van het enzym zelf is, kan het evolueren en zich aanpassen. De niet-equivalente interacties die mogelijk zijn door dynamische asymmetrieën spelen ook een cruciale rol in de interacties tussen moleculen en kunnen een cruciale rol spelen in het proces waardoor eenvoudige stoffen complex worden.
Er is veel eerder werk gedaan door andere onderzoekers over wat er gebeurt als niet-wederkerige interacties plaatsvinden. Dit werk heeft een centrale rol gespeeld in de ontwikkeling van het veld van "actieve materie". In deze vroege onderzoeken werden niet-interactieve interacties geïntroduceerd door ad-hockrachten toe te voegen.
Het onderzoek van Mandal, Sen en Astoumian beschrijft echter het fundamentele moleculaire mechanisme dat deze interactie tussen afzonderlijke moleculen produceert. Voortbouwend op deze studie lieten dezelfde auteurs ook zien hoe individuele katalysatormoleculen de energie die door hun katalytische reacties wordt gegenereerd, kunnen gebruiken om gerichte bewegingen in een concentratiegradiënt uit te voeren.
Implicaties voor biomoleculaire machines en het vroege leven
Er is ook aangetoond dat de kinetische asymmetrieën die niet-interactieve interacties tussen verschillende katalysatoren bepalen belangrijk zijn voor de directionaliteit van biomoleculaire machines en zijn opgenomen in het ontwerp van synthetische moleculaire motoren en pompen.
De samenwerking tussen Astoumian, Sen en Mandal heeft tot doel de organiserende principes te onthullen achter de losse associatie van verschillende katalysatoren die mogelijk de vroegste metabolische structuren hebben gevormd die uiteindelijk tot de evolutie van het leven hebben geleid.
"We bevinden ons nog in de beginfase van dit werk, maar ik denk dat het begrijpen van dynamische asymmetrieën een mogelijke kans is om te begrijpen hoe het leven is geëvolueerd uit eenvoudige moleculen. Het zal ons niet alleen inzicht geven in de complexiteit van materie, dynamische asymmetrieën kunnen ook worden gebruikt bij het ontwerp van moleculaire machines en aanverwante technologieën, "zei Astumian.
Referenties "Moleculaire oorsprong van niet-reciproke interacties tussen op elkaar inwerkende actieve katalysatoren" door Niladri Sekhar Mandal, Ayusman Sen en R. Dean Astumian, 29 december 2023, Chem.
DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017
Samengestelde bron: ScitechDaily