Investigadores de la Universidad de Maine y Penn State descubrieron que las moléculas experimentan interacciones no recíprocas sin la intervención de fuerzas externas. Las fuerzas fundamentales como la gravedad y el electromagnetismo son recíprocas, donde dos objetos se atraen o se repelen entre sí. Sin embargo, en nuestra experiencia diaria, las interacciones no parecen seguir esta ley recíproca. Por ejemplo, un depredador se siente atraído por su presa, pero la presa tiende a huir del depredador. Estas interacciones no recíprocas son esenciales para el comportamiento complejo asociado con los organismos vivos.
Para sistemas microscópicos como las bacterias, el mecanismo de las interacciones no recíprocas se ha explicado mediante fuerzas hidrodinámicas u otras fuerzas externas, y anteriormente se pensaba que tipos similares de fuerzas podrían explicar las interacciones entre moléculas individuales. Sin embargo, en un trabajo publicado en Chem, el físico teórico de UMaine R. Dean Astumian y sus colaboradores Ayusman Sen y Niladri Sekhar Mandal de Penn State han publicado un mecanismo diferente por el cual las moléculas individuales pueden interactuar de manera no recíproca sin efectos hidrodinámicos. Este mecanismo invoca los gradientes locales de reactivos y productos debido a las reacciones facilitadas por cada catalizador químico, un ejemplo biológico de ello es una enzima. Debido a que la respuesta de un catalizador al gradiente depende de las propiedades del catalizador, es posible tener una situación en la que una molécula repela pero atraiga a otra molécula. El «momento Eureka» de los autores ocurrió cuando, en su discusión, se dieron cuenta de que una propiedad de cada catalizador conocida como asimetría cinética controla la dirección de respuesta frente a un gradiente de concentración. Debido a que la asimetría cinética es una propiedad de la enzima en sí, puede sufrir evolución y adaptación.
Las interacciones no recíprocas permitidas por la asimetría cinética también juegan un papel crucial en permitir que las moléculas interactúen entre sí y pueden haber desempeñado un papel crítico en los procesos por los cuales la materia simple se vuelve compleja. Mucho trabajo previo ha sido realizado por otros investigadores sobre lo que sucede cuando ocurren interacciones no recíprocas. Estos esfuerzos han desempeñado un papel central en el desarrollo de un campo conocido como «materia activa». En estos trabajos anteriores, las interacciones no recíprocas se introdujeron mediante la incorporación de fuerzas ad hoc. Sin embargo, la investigación descrita por Mandal, Sen y Astumian describe un mecanismo molecular básico por el cual tales interacciones pueden surgir entre moléculas individuales.
Esta investigación se basa en trabajos anteriores en los que los mismos autores mostraron cómo una sola molécula catalizadora podía utilizar la energía de la reacción que catalizaba para experimentar un movimiento direccional en un gradiente de concentración. La asimetría cinética que influye en la determinación de las interacciones no recíprocas entre diferentes catalizadores también se ha demostrado que es importante para la direccionalidad de las máquinas biomoleculares y se ha incorporado en el diseño de motores y bombas moleculares sintéticas.
La colaboración entre Astumian, Sen y Mandal tiene como objetivo revelar los principios organizacionales detrás de las asociaciones laxas de diferentes catalizadores que pueden haber formado las primeras estructuras metabólicas que eventualmente llevaron a la evolución de la vida. «Estamos en las etapas iniciales de este trabajo, pero veo la comprensión de la asimetría cinética como una posible oportunidad para entender cómo la vida evolucionó a partir de moléculas simples», dice Astumian.
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