Des chercheurs de l’Université du Maine et de Penn State ont découvert que les molécules subissent des interactions non réciproques sans forces externes.
Les forces fondamentales telles que la gravité et l’électromagnétisme sont réciproques, dans lesquelles deux objets sont attirés l’un vers l’autre ou repoussés l’un par l’autre. Or, dans notre expérience quotidienne, les interactions ne semblent pas suivre cette loi réciproque.
Par exemple, un prédateur est attiré par une proie, mais celle-ci a tendance à fuir le prédateur. De telles interactions non réciproques sont essentielles aux comportements complexes associés aux organismes vivants. Pour les systèmes microscopiques tels que les bactéries, le mécanisme des interactions non réciproques a été expliqué par des forces hydrodynamiques ou autres forces externes, et on pensait auparavant que des types de forces similaires pourraient expliquer les interactions entre molécules uniques.
Dans un ouvrage publié dans Chimiele physicien théoricien de l’UMaine R. Dean Astumian et ses collaborateurs Ayusman Sen et Niladri Sekhar Mandal de Penn State ont publié un mécanisme différent par lequel des molécules uniques peuvent interagir de manière non réciproque sans effets hydrodynamiques.
Ce mécanisme fait appel aux gradients locaux de réactifs et de produits dus aux réactions facilitées par chaque catalyseur chimique, dont un exemple biologique est une enzyme. Étant donné que la réponse d’un catalyseur au gradient dépend des propriétés du catalyseur, il est possible d’avoir une situation dans laquelle une molécule est repoussée mais attire une autre molécule.
Le « moment Eurêka » des auteurs s’est produit lorsque, au cours de leur discussion, ils ont réalisé qu’une propriété de chaque catalyseur connue sous le nom d’asymétrie cinétique contrôle la direction de la réponse à un gradient de concentration. L’asymétrie cinétique étant une propriété de l’enzyme elle-même, elle peut subir une évolution et une adaptation.
Les interactions non réciproques permises par l’asymétrie cinétique jouent également un rôle crucial en permettant aux molécules d’interagir les unes avec les autres et peuvent avoir joué un rôle essentiel dans les processus par lesquels une matière simple devient complexe.
De nombreux travaux antérieurs ont été réalisés par d’autres chercheurs sur ce qui se passe lorsque des interactions non réciproques se produisent. Ces efforts ont joué un rôle central dans le développement d’un domaine connu sous le nom de « matière active ». Dans ces travaux antérieurs, les interactions non réciproques ont été introduites par incorporation de forces ad hoc.
La recherche décrite par Mandal, Sen et Astumian décrit cependant un mécanisme moléculaire de base par lequel de telles interactions peuvent survenir entre des molécules uniques. Cette recherche s’appuie sur des travaux antérieurs dans lesquels les mêmes auteurs ont montré comment une seule molécule de catalyseur pouvait utiliser l’énergie de la réaction qu’elle catalysait pour subir un mouvement directionnel dans un gradient de concentration.
L’asymétrie cinétique qui détermine les interactions non réciproques entre différents catalyseurs s’est également révélée importante pour la directionnalité des machines biomoléculaires et a été intégrée dans la conception de moteurs et de pompes moléculaires synthétiques.
La collaboration entre Astumian, Sen et Mandal vise à révéler les principes organisationnels derrière les associations lâches de différents catalyseurs qui pourraient avoir formé les premières structures métaboliques ayant finalement conduit à l’évolution de la vie.
« Nous n’en sommes qu’aux tout premiers stades de ce travail, mais je considère la compréhension de l’asymétrie cinétique comme une opportunité possible de comprendre comment la vie a évolué à partir de molécules simples », explique Astumian. « Non seulement elle peut donner un aperçu de la complexification de la matière, mais l’asymétrie cinétique peut également être utilisée dans la conception de machines moléculaires et de technologies associées. »
Plus d’information:
Niladri Sekhar Mandal et al, Une origine moléculaire des interactions non réciproques entre catalyseurs actifs en interaction, Chimie (2023). DOI : 10.1016/j.chempr.2023.11.017