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(noticias nanowerk) Las biomoléculas como los aminoácidos y los azúcares se presentan en dos formas especulares, pero en todos los organismos vivos sólo se presenta una. Aún no está claro por qué esto es así. Investigadores de Empa y del Centro de Investigación Jülich en Alemania han encontrado pruebas de que la interacción de campos eléctricos y magnéticos podría ser el origen de este fenómeno.
La llamada homoquiralidad de la vida -el hecho de que todas las biomoléculas de los organismos vivos sólo existen en una de dos formas especulares- ha desconcertado a varias luminarias científicas, desde el descubridor de la quiralidad molecular, Louis Pasteur, hasta William Thomson ( Lord Kelvin) y el premio Nobel Pierre Curie.
Todavía falta una explicación concluyente, ya que ambas formas, por ejemplo, tienen la misma estabilidad química y no se diferencian entre sí en sus propiedades físico-químicas. Sin embargo, desde el principio surgió la hipótesis de que la interacción de los campos eléctricos y magnéticos podría explicar la preferencia por una u otra forma especular de una molécula, los llamados enantiómeros.
Pero sólo hace unos años surgió la primera evidencia indirecta de que las diversas combinaciones de estos campos de fuerza pueden en realidad “distinguir” entre las dos imágenes especulares de una molécula. Esto se logró estudiando la interacción de moléculas quirales con superficies metálicas que tienen un fuerte campo eléctrico en distancias cortas.
Las superficies de metales magnéticos como el hierro, el cobalto o el níquel permiten la combinación de campos eléctricos y magnéticos de diferentes maneras: la dirección de la magnetización simplemente se invierte, de «Norte arriba – Sur abajo» a «Sur arriba – Norte abajo».
Si la interacción entre el magnetismo y los campos eléctricos realmente desencadena efectos «enantioselectivos», entonces, por ejemplo, la fuerza de la interacción entre las moléculas quirales y las superficies magnéticas también tendría que ser diferente, dependiendo de si una molécula «se asienta» en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. la superficie.
Las imágenes especulares prefieren campos magnéticos opuestos
Y así es, como informó recientemente en la revista especializada un equipo de investigación dirigido por Karl-Heinz Ernst del Departamento de Ciencias de Superficies y Tecnologías de Recubrimiento de Empa y colegas del Instituto Peter Grünberg del Centro de Investigación de Jülich. Materiales avanzados (“Adsorción enantioselectiva sobre superficies magnéticas”).
El equipo cubrió una superficie de cobre (no magnética) con pequeñas “islas” ultrafinas de cobalto magnético y determinó la dirección del campo magnético dentro de ellas utilizando microscopía de efecto túnel de barrido polarizado por espín; Como ya se ha mencionado, este puede discurrir en dos direcciones diferentes perpendiculares a la superficie metálica: norte hacia arriba o sur hacia arriba. Luego depositaron moléculas quirales en forma de espiral (una mezcla 1:1 de moléculas de heptaheliceno diestras y zurdas) en estas islas de cobalto en un vacío ultraalto.
Luego, «simplemente» contaron el número de moléculas de heliceno en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj en las islas de cobalto magnetizadas de manera diferente, casi 800 moléculas en total, nuevamente utilizando microscopía de efecto túnel. Y he aquí que, dependiendo de la dirección del campo magnético, se formaba preferentemente una u otra forma de espiral helicoidal (ver el lado derecho del gráfico).
Además, los experimentos demostraron que la selección (la preferencia por uno u otro enantiómero) no sólo se produce durante la unión a las islas de cobalto, sino antes. Antes de que las moléculas asuman su posición final (preferida) en una de las islas de cobalto, migran largas distancias a través de la superficie del cobre en un estado precursor ligado significativamente más débil y “buscan” una posición ideal. Sólo están unidos a la superficie por las llamadas fuerzas de Van der Waals. Estos sólo son causados por fluctuaciones en la capa electrónica de átomos y moléculas y, por lo tanto, son relativamente débiles. Hasta ahora no se sabía que estos también están influenciados por el magnetismo, es decir, el sentido de rotación (espín) de los electrones.
Los electrones con espín «incorrecto» se filtran
Utilizando microscopía de efecto túnel, los investigadores pudieron resolver otro misterio, como informaron el pasado mes de noviembre en la revista Small. El transporte de electrones, es decir, la corriente eléctrica, también depende de la combinación de la lateralidad molecular y la magnetización de la superficie. Dependiendo de la orientación de la molécula unida, los electrones con una dirección de espín fluyen preferentemente (o «túnel») a través de la molécula, lo que significa que los electrones con el espín «incorrecto» se filtran.
Esta selectividad de espín inducida por la quiralidad (efecto CISS, véase el lado izquierdo del gráfico) ya se ha observado en estudios anteriores, pero no está claro si para ello es necesario un conjunto de moléculas o si las moléculas individuales también muestran este efecto. Ernst y sus colegas pudieron demostrar ahora que las moléculas individuales de heliceno también presentan el efecto CISS. «Pero aún no se comprende la física que hay detrás de esto», admite Ernst.
El investigador de Empa también cree que sus hallazgos, en última instancia, no pueden responder plenamente a la cuestión de la quiralidad de la vida. En otras palabras, la cuestión que Vladimir Prelog, ganador del Premio Nobel de Química y químico de la ETH, describió en su conferencia del Premio Nobel de 1975 como “uno de los primeros problemas de la teología molecular”. Pero Ernst puede imaginar que en determinadas reacciones químicas catalizadas en la superficie, como las que podrían haber tenido lugar en la «sopa primordial» química de la Tierra primitiva, una determinada combinación de campos eléctricos y magnéticos podría conducir a un enriquecimiento constante de los distintos biomoléculas en una u otra forma y, en última instancia, a la lateralidad de la vida.
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