Onderzoekers van de Universiteit van Maine en Penn State ontdekten dat moleculen niet-wederkerige interacties ondergaan zonder externe krachten.

Fundamentele krachten zoals zwaartekracht en elektromagnetisme zijn wederkerig, waarbij twee objecten tot elkaar worden aangetrokken of door elkaar worden afgestoten. In onze dagelijkse ervaring lijken interacties deze wederzijdse wet echter niet te volgen.

Een roofdier wordt bijvoorbeeld aangetrokken door een prooi, maar de prooi heeft de neiging om voor het roofdier te vluchten. Dergelijke niet-wederkerige interacties zijn essentieel voor complex gedrag dat verband houdt met levende organismen. Voor microscopische systemen zoals bacteriën is het mechanisme van niet-wederkerige interacties verklaard door hydrodynamische of andere externe krachten, en eerder werd gedacht dat soortgelijke soorten krachten interacties tussen afzonderlijke moleculen zouden kunnen verklaren.

In werk gepubliceerd in Chem UMaine theoretisch natuurkundige R. Dean Astumian en medewerkers Ayusman Sen en Niladri Sekhar Mandal van Penn State hebben een ander mechanisme gepubliceerd waarmee afzonderlijke moleculen niet-wederkerig kunnen interageren zonder hydrodynamische effecten.

Dit mechanisme doet een beroep op de lokale gradiënten van reactanten en producten als gevolg van de reacties die worden vergemakkelijkt door elke chemische katalysator, waarvan een biologisch voorbeeld een enzym is. Omdat de reactie van een katalysator op de gradiënt afhangt van de eigenschappen van de katalysator, is het mogelijk dat er een situatie ontstaat waarin een molecuul wordt afgestoten, maar een ander molecuul aantrekt.

Het 'Eureka-moment' van de auteurs deed zich voor toen ze zich tijdens hun discussie realiseerden dat een eigenschap van elke katalysator, bekend als de kinetische asymmetrie, de richting van de reactie op een concentratiegradiënt bepaalt. Omdat kinetische asymmetrie een eigenschap van het enzym zelf is, kan het evolutie en aanpassing ondergaan.

De niet-wederkerige interacties die mogelijk zijn door kinetische asymmetrie spelen ook een cruciale rol bij het mogelijk maken dat moleculen met elkaar interacteren en hebben mogelijk een cruciale rol gespeeld in de processen waardoor eenvoudige materie complex wordt.

Er is veel eerder werk gedaan door andere onderzoekers over wat er gebeurt als niet-wederkerige interacties plaatsvinden. Deze inspanningen hebben een centrale rol gespeeld in de ontwikkeling van een veld dat bekend staat als 'actieve materie'. In dit eerdere werk werden de niet-wederkerige interacties geïntroduceerd door het incorporeren van ad hoc krachten.

Het door Mandal, Sen en Astumian beschreven onderzoek beschrijft echter een fundamenteel moleculair mechanisme waardoor dergelijke interacties tussen afzonderlijke moleculen kunnen ontstaan. Dit onderzoek bouwt voort op eerder werk waarin dezelfde auteurs lieten zien hoe een enkel katalysatormolecuul de energie van de reactie die het katalyseerde kon gebruiken om gerichte beweging in een concentratiegradiënt te ondergaan.

Er is ook aangetoond dat de kinetische asymmetrie die een rol speelt bij het bepalen van de niet-wederkerige interacties tussen verschillende katalysatoren belangrijk is voor de directionaliteit van biomoleculaire machines, en is opgenomen in het ontwerp van synthetische moleculaire motoren en pompen.

De samenwerking tussen Astumian, Sen en Mandal heeft tot doel de organisatieprincipes te onthullen achter losse associaties van verschillende katalysatoren die mogelijk de vroegste metabolische structuren hebben gevormd die uiteindelijk tot de evolutie van het leven hebben geleid.

"We staan ​​nog maar aan het begin van dit werk, maar ik zie het begrijpen van kinetische asymmetrie als een mogelijke kans om te begrijpen hoe het leven is geëvolueerd uit eenvoudige moleculen", zegt Astumian. "Niet alleen kan het inzicht verschaffen in de complexiteit van materie, kinetische asymmetrie kan ook worden gebruikt bij het ontwerpen van moleculaire machines en aanverwante technologieën."

Meer informatie: Niladri Sekhar Mandal et al, Een moleculaire oorsprong van niet-wederkerige interacties tussen op elkaar inwerkende actieve katalysatoren, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.017

Journaalinformatie: Chem

Aangeboden door Universiteit van Maine