Forskare från University of Maine och Penn State upptäckte att molekyler upplever icke-ömsesidiga interaktioner utan yttre krafter.
Grundläggande krafter som gravitation och elektromagnetism är ömsesidiga, där två föremål attraheras till varandra eller stöts bort av varandra. I vår vardagliga erfarenhet verkar dock interaktioner inte följa denna ömsesidiga lag.
Till exempel lockas ett rovdjur till bytesdjur, men bytet tenderar att fly från rovdjuret. Sådana icke-ömsesidiga interaktioner är väsentliga för komplext beteende associerat med levande organismer. För mikroskopiska system som bakterier har mekanismen för icke-reciproka interaktioner förklarats av hydrodynamiska eller andra yttre krafter, och man trodde tidigare att liknande typer av krafter kunde förklara interaktioner mellan enskilda molekyler.
I arbete publicerat i Chem , UMaine teoretiske fysiker R. Dean Astumian och medarbetare Ayusman Sen och Niladri Sekhar Mandal vid Penn State har publicerat en annan mekanism genom vilken enstaka molekyler kan interagera icke-ömsesidigt utan hydrodynamiska effekter.
Denna mekanism anropar de lokala gradienterna av reaktanter och produkter på grund av reaktionerna som underlättas av varje kemisk katalysator, ett biologiskt exempel på vilket är ett enzym. Eftersom en katalysators respons på gradienten beror på katalysatorns egenskaper, är det möjligt att ha en situation där en molekyl stöts bort av men attraherar en annan molekyl.
Författarnas "Eureka-ögonblick" inträffade när de i sin diskussion insåg att en egenskap hos varje katalysator känd som kinetisk asymmetri styr riktningen för svaret på en koncentrationsgradient. Eftersom kinetisk asymmetri är en egenskap hos själva enzymet kan det genomgå evolution och anpassning.
De icke-ömsesidiga interaktioner som tillåts av kinetisk asymmetri spelar också en avgörande roll för att tillåta molekyler att interagera med varandra och kan ha spelat en avgörande roll i de processer genom vilka enkel materia blir komplex.
Mycket tidigare arbete har gjorts av andra forskare om vad som händer när icke-ömsesidiga interaktioner inträffar. Dessa ansträngningar har spelat en central roll i utvecklingen av ett fält som kallas "aktiv materia". I detta tidigare arbete introducerades de icke-ömsesidiga interaktionerna genom inkorporering av ad hoc-krafter.
Forskningen som beskrivs av Mandal, Sen och Astumian beskriver emellertid en grundläggande molekylär mekanism genom vilken sådana interaktioner kan uppstå mellan enskilda molekyler. Denna forskning bygger på tidigare arbete där samma författare visade hur en enda katalysatormolekyl kunde använda energi från reaktionen den katalyserade för att genomgå riktningsrörelse i en koncentrationsgradient.
Den kinetiska asymmetri som ingår i bestämning av de icke-ömsesidiga interaktionerna mellan olika katalysatorer har också visat sig vara viktig för riktningsförmågan hos biomolekylära maskiner och har inkorporerats i designen av syntetiska molekylära motorer och pumpar.
Samarbetet mellan Astumian, Sen och Mandal syftar till att avslöja de organisatoriska principerna bakom lösa associationer av olika katalysatorer som kan ha bildat de tidigaste metaboliska strukturerna som så småningom ledde till livets utveckling.
"Vi är i början av det här arbetet, men jag ser att förstå kinetisk asymmetri som en möjlig möjlighet att förstå hur livet utvecklades från enkla molekyler," säger Astumian. "Det kan inte bara ge insikt i komplexisering av materia, kinetisk asymmetri kan också användas vid design av molekylära maskiner och tillhörande teknologier."
Mer information: Niladri Sekhar Mandal et al, A molecular origin of non-reciprocal interactions between interacting active catalysts, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017
Journalinformation: Chem
Tillhandahålls av University of Maine
