Neue Studienergebnisse zeigen, dass Moleküle nicht-reziproke Wechselwirkungen ohne äußere Kräfte zeigen

Forscher der University of Maine und der Penn State entdeckten, dass Moleküle ohne äußere Kräfte nicht-reziproke Wechselwirkungen erfahren.

Grundkräfte wie Schwerkraft und Elektromagnetismus sind reziprok, d. h. zwei Objekte werden voneinander angezogen oder abgestoßen. In unserer alltäglichen Erfahrung scheinen Interaktionen jedoch nicht diesem reziproken Gesetz zu folgen.

Beispielsweise wird ein Raubtier von Beute angezogen, die Beute neigt jedoch dazu, vor dem Raubtier zu fliehen. Solche nicht-reziproken Wechselwirkungen sind für das komplexe Verhalten lebender Organismen von wesentlicher Bedeutung. Für mikroskopische Systeme wie Bakterien wurde der Mechanismus nicht-reziproker Wechselwirkungen durch hydrodynamische oder andere äußere Kräfte erklärt, und man ging zuvor davon aus, dass ähnliche Arten von Kräften die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen erklären könnten.

In der Arbeit veröffentlicht in Chemhaben der theoretische Physiker R. Dean Astumian von der UMaine und seine Mitarbeiter Ayusman Sen und Niladri Sekhar Mandal von der Penn State University einen anderen Mechanismus veröffentlicht, durch den einzelne Moleküle ohne hydrodynamische Effekte nicht-reziprok interagieren können.

Dieser Mechanismus ruft die lokalen Gradienten von Reaktanten und Produkten hervor, die auf die Reaktionen zurückzuführen sind, die durch jeden chemischen Katalysator, ein biologisches Beispiel hierfür ist ein Enzym, ermöglicht werden. Da die Reaktion eines Katalysators auf den Gradienten von den Eigenschaften des Katalysators abhängt, kann es vorkommen, dass ein Molekül von einem anderen Molekül abgestoßen, aber angezogen wird.

Der „Heureka-Moment“ der Autoren ereignete sich, als sie in ihrer Diskussion erkannten, dass eine Eigenschaft jedes Katalysators, die als kinetische Asymmetrie bekannt ist, die Richtung der Reaktion auf einen Konzentrationsgradienten steuert. Da die kinetische Asymmetrie eine Eigenschaft des Enzyms selbst ist, kann es sich weiterentwickeln und anpassen.

Die durch die kinetische Asymmetrie ermöglichten nichtreziproken Wechselwirkungen spielen auch eine entscheidende Rolle dabei, dass Moleküle miteinander interagieren können, und haben möglicherweise eine entscheidende Rolle bei den Prozessen gespielt, durch die einfache Materie komplex wird.

Andere Forscher haben sich bereits intensiv damit beschäftigt, was passiert, wenn nicht-reziproke Wechselwirkungen auftreten. Diese Bemühungen spielten eine zentrale Rolle bei der Entwicklung eines Feldes, das als „aktive Materie“ bekannt ist. In dieser früheren Arbeit wurden die nichtreziproken Wechselwirkungen durch die Einbeziehung von Ad-hoc-Kräften eingeführt.

Die von Mandal, Sen und Astumian beschriebene Forschung beschreibt jedoch einen grundlegenden molekularen Mechanismus, durch den solche Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen entstehen können. Diese Forschung baut auf früheren Arbeiten auf, in denen dieselben Autoren zeigten, wie ein einzelnes Katalysatormolekül die Energie der von ihm katalysierten Reaktion nutzen kann, um eine gerichtete Bewegung in einem Konzentrationsgradienten durchzuführen.

Die kinetische Asymmetrie, die bei der Bestimmung der nichtreziproken Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Katalysatoren eine Rolle spielt, hat sich auch als wichtig für die Richtung biomolekularer Maschinen erwiesen und wurde in die Konstruktion synthetischer molekularer Motoren und Pumpen einbezogen.

Die Zusammenarbeit zwischen Astumian, Sen und Mandal zielt darauf ab, die Organisationsprinzipien hinter losen Assoziationen verschiedener Katalysatoren aufzudecken, die möglicherweise die frühesten Stoffwechselstrukturen gebildet haben, die schließlich zur Entwicklung des Lebens führten.

„Wir befinden uns noch ganz am Anfang dieser Arbeit, aber ich sehe das Verständnis der kinetischen Asymmetrie als mögliche Chance, zu verstehen, wie sich Leben aus einfachen Molekülen entwickelt hat“, sagt Astumian. „Sie kann nicht nur Einblicke in die Komplexierung von Materie geben, sondern die kinetische Asymmetrie kann auch beim Entwurf molekularer Maschinen und damit verbundener Technologien genutzt werden.“