Molekyler udviser ikke-gensidige interaktioner uden eksterne kræfter, finder ny undersøgelse

Forskere fra University of Maine og Penn State opdagede, at molekyler oplever ikke-gensidige interaktioner uden eksterne kræfter.

Grundlæggende kræfter som tyngdekraft og elektromagnetisme er gensidige, hvor to objekter tiltrækkes af hinanden eller frastødes af hinanden. I vores daglige erfaring synes interaktioner dog ikke at følge denne gensidige lov.

For eksempel er et rovdyr tiltrukket af bytte, men byttet har en tendens til at flygte fra rovdyret. Sådanne ikke-gensidige interaktioner er afgørende for kompleks adfærd forbundet med levende organismer. For mikroskopiske systemer såsom bakterier er mekanismen for ikke-gensidige vekselvirkninger blevet forklaret af hydrodynamiske eller andre eksterne kræfter, og man troede tidligere, at lignende typer kræfter kunne forklare vekselvirkninger mellem enkelte molekyler.

I arbejde udgivet i Chem , UMaines teoretiske fysiker R. Dean Astumian og samarbejdspartnere Ayusman Sen og Niladri Sekhar Mandal ved Penn State har offentliggjort en anden mekanisme, hvorved enkelte molekyler kan interagere ikke-gensidigt uden hydrodynamiske effekter.

Denne mekanisme fremkalder de lokale gradienter af reaktanter og produkter på grund af de reaktioner, der lettes af enhver kemisk katalysator, et biologisk eksempel på dette er et enzym. Fordi en katalysators reaktion på gradienten afhænger af katalysatorens egenskaber, er det muligt at have en situation, hvor et molekyle frastødes af, men tiltrækker et andet molekyle.

Forfatternes "Eureka-moment" opstod, da de i deres diskussion indså, at en egenskab ved hver katalysator kendt som den kinetiske asymmetri styrer retningen af ​​reaktionen på en koncentrationsgradient. Fordi kinetisk asymmetri er en egenskab ved selve enzymet, kan det gennemgå evolution og tilpasning.

De ikke-gensidige interaktioner, der tillades af kinetisk asymmetri, spiller også en afgørende rolle i at tillade molekyler at interagere med hinanden og kan have spillet en afgørende rolle i de processer, hvorved simpelt stof bliver komplekst.

Meget tidligere arbejde er blevet udført af andre forskere om, hvad der sker, når der opstår ikke-gensidige interaktioner. Disse bestræbelser har spillet en central rolle i udviklingen af ​​et felt kendt som "aktivt stof". I dette tidligere arbejde blev de ikke-gensidige interaktioner introduceret ved inkorporering af ad hoc-kræfter.

Forskningen beskrevet af Mandal, Sen og Astumian beskriver imidlertid en grundlæggende molekylær mekanisme, hvorved sådanne interaktioner kan opstå mellem enkelte molekyler. Denne forskning bygger på tidligere arbejde, hvor de samme forfattere viste, hvordan et enkelt katalysatormolekyle kunne bruge energi fra den reaktion, det katalyserede til at gennemgå retningsbestemt bevægelse i en koncentrationsgradient.

Den kinetiske asymmetri, der er med til at bestemme de ikke-gensidige interaktioner mellem forskellige katalysatorer, har også vist sig at være vigtig for retningsbestemmelsen af ​​biomolekylære maskiner og er blevet indarbejdet i designet af syntetiske molekylære motorer og pumper.

Samarbejdet mellem Astumian, Sen og Mandal har til formål at afsløre de organisatoriske principper bag løse associationer af forskellige katalysatorer, der kan have dannet de tidligste metaboliske strukturer, der til sidst førte til livets udvikling.

"Vi er helt i begyndelsen af ​​dette arbejde, men jeg ser forståelsen af ​​kinetisk asymmetri som en mulig mulighed for at forstå, hvordan livet udviklede sig fra simple molekyler," siger Astumian. "Ikke kun kan det give indsigt i kompleksisering af stof, kinetisk asymmetri kan også bruges i design af molekylære maskiner og tilhørende teknologier."

Flere oplysninger: Niladri Sekhar Mandal et al., En molekylær oprindelse af ikke-gensidige interaktioner mellem interagerende aktive katalysatorer, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017

Journaloplysninger: Kem

Leveret af University of Maine