Istraživači sa Univerziteta Mejn i Pen Stejt otkrili su da molekuli doživljavaju nerecipročne interakcije bez spoljnih sila.
Osnovne sile kao što su gravitacija i elektromagnetizam su recipročne, gde se dva objekta privlače jedan drugom ili se odbijaju jedan od drugog. U našem svakodnevnom iskustvu, međutim, čini se da interakcije ne prate ovaj recipročni zakon.
Na primer, predatora privlači plen, ali plen teži da beži od predatora. Takve nerecipročne interakcije su neophodne za složeno ponašanje povezano sa živim organizmima. Za mikroskopske sisteme kao što su bakterije, mehanizam nerecipročnih interakcija je objašnjen hidrodinamičkim ili drugim spoljnim silama, a ranije se smatralo da slične vrste sila mogu da objasne interakcije između pojedinačnih molekula.
U radu objavljenom u Chem-u, teorijski fizičar iz UMainea R. Dean Astumian i saradnici Aiusman Sen i Niladri Sekhar Mandal iz Penn State-a objavili su drugačiji mehanizam pomoću kojeg pojedinačni molekuli mogu reagovati nerecipročno bez hidrodinamičkih efekata.
Ovaj mehanizam poziva lokalne gradijente reaktanata i proizvoda zbog reakcija koje olakšava svaki hemijski katalizator, čiji je biološki primer enzim. Pošto odgovor katalizatora na gradijent zavisi od svojstava katalizatora, moguće je imati situaciju u kojoj se jedan molekul odbija, ali privlači drugi molekul.
„Eureka trenutak“ autora se dogodio kada su, u njihovoj diskusiji, shvatili da svojstvo svakog katalizatora poznato kao kinetička asimetrija kontroliše pravac odgovora na gradijent koncentracije. Pošto je kinetička asimetrija svojstvo samog enzima, može se podvrgnuti evoluciji i adaptaciji.
Nerecipročne interakcije koje dozvoljava kinetička asimetrija takođe igraju ključnu ulogu u omogućavanju molekulima da interaguju jedni sa drugima i možda su odigrale ključnu ulogu u procesima u kojima jednostavna materija postaje složena.
Dosta prethodnog rada su uradili drugi istraživači o tome šta se dešava kada dođe do nerecipročnih interakcija. Ovi napori su odigrali centralnu ulogu u razvoju polja poznatog kao „aktivna materija“. U ovom ranijem radu, nerecipročne interakcije su uvedene inkorporacijom ad hoc sila.
Istraživanje koje su opisali Mandal, Sen i Astumijan, međutim, opisuje osnovni molekularni mehanizam pomoću kojeg takve interakcije mogu nastati između pojedinačnih molekula. Ovo istraživanje se zasniva na ranijim radovima u kojima su isti autori pokazali kako jedan molekul katalizatora može da koristi energiju iz reakcije koju je katalizovao da bi prošao usmereno kretanje u gradijentu koncentracije.
Kinetička asimetrija koja karakteriše određivanje nerecipročnih interakcija između različitih katalizatora takođe se pokazala važnom za usmerenost biomolekularnih mašina i ugrađena je u dizajn sintetičkih molekularnih motora i pumpi.
Saradnja između Astumijana, Sena i Mandala ima za cilj da otkrije organizacione principe iza labavih asocijacija različitih katalizatora koji su možda formirali najranije metaboličke strukture koje su na kraju dovele do evolucije života.
„Mi smo na samom početku ovog rada, ali ja vidim razumevanje kinetičke asimetrije kao moguću priliku za razumevanje kako je život evoluirao iz jednostavnih molekula“, kaže Astumian. „Ne samo da može pružiti uvid u kompleksizaciju materije, kinetička asimetrija se takođe može koristiti u dizajnu molekularnih mašina i povezanih tehnologija.“
