Oddziaływania grawitacyjne i elektromagnetyczne są określane mianem wzajemnych, gdy dwa obiekty przyciągają się lub odpychają. Ale interakcje w świecie przyrody nie podlegają prawu wzajemności, np. drapieżnik jest przyciągany przez ofiarę, ale ta ma tendencję do ucieczki przed nim. Takie zachowania są niezbędne dla złożonych zachowań organizmów żywych. W przypadku układów mikroskopowych (np. bakterii) mechanizm oddziaływań niewzajemnych wyjaśniono za pomocą sił hydrodynamicznych lub innych sił zewnętrznych. Sądzono także, że podobne rodzaje sił mogą wyjaśniać interakcje między pojedynczymi cząsteczkami.
Czytaj też: To nie magia, a czysta chemia. Stworzono katalizator, który zamienia amoniak w paliwo wodorowe
Zespół naukowców z University of Maine opisał mechanizm, dzięki któremu pojedyncze cząsteczki mogą oddziaływać niewzajemnie, bez efektów hydrodynamicznych. Wywołuje on lokalne gradienty reagentów i produktów w wyniku reakcji ułatwianych przez każdy katalizator chemiczny, którego biologicznym przykładem jest enzym. Ponieważ reakcja katalizatora na gradient zależy od jego właściwości, możliwa jest sytuacja, w której jedna cząsteczka jest odpychana przez inną cząsteczkę, ale przyciąga inną. Szczegóły opisano w czasopiśmie Chem.
Kinetyczna asymetria kluczem do interakcji niewzajemnych
Tym, co kontroluje kierunek reakcji na gradient stężeń, jest tzw. kinetyczna asymetria. Jest ona właściwością samego enzymu i może podlegać ewolucji oraz adaptacji. Interakcje niewzajemne, na które pozwala kinetyczna asymetria, umożliwiają cząsteczkom wzajemne oddziaływanie i mogły być kluczowe w procesach, w wyniku których prosta materia stała się złożona.
Czytaj też: Stworzono nowe katalizatory. Ich możliwości są niemal nieograniczone
Badania te przyczyniły się do rozwoju dziedziny zwanej materią aktywną. We wcześniejszej pracy interakcje niewzajemne wprowadzono poprzez włączenie sił ad hoc, ale badania prof. Ayusmana Sena i dr Niladriego Sekhara Mandalę opisały podstawowy mechanizm molekularny, dzięki któremu takie interakcje mogą zachodzić pomiędzy pojedynczymi cząsteczkami. Badania te opierają się na wcześniejszych pracach, w których ci sami autorzy pokazali, w jaki sposób pojedyncza cząsteczka katalizatora może wykorzystywać energię z katalizowanej przez siebie reakcji do wykonywania ruchu kierunkowego w gradiencie stężeń.
Jesteśmy na samym początku prac, ale zrozumienie kinetycznej asymetrii postrzegam jako możliwą szansę na zrozumienie ewolucji życia z prostych cząsteczek. Nie tylko może ona zapewnić wgląd w złożoność materii, ale także pozwolić na projektowanie maszyn molekularnych i powiązanych technologii. Prof. R. Dean Astumian z University of Maine
Kinetyczna asymetria występująca przy określaniu wzajemnych oddziaływań między różnymi katalizatorami jest ważna dla kierunkowości maszyn biomolekularnych i została uwzględniona w projektowaniu syntetycznych silników. Naukowcy starają się zrozumieć zasady organizacyjne stojące za różnymi katalizatorami, które mogły utworzyć najwcześniejsze struktury metaboliczne, które ostatecznie doprowadziły do ewolucji życia.
