O movimento dos eletrões e a possível origem da homoquiralidade da vida

O movimento dos eletrões pode fazer com que moléculas que são imagens especulares se comportem de forma desigual, oferecendo uma nova pista sobre a química assimétrica da vida.

Estes resultados alargam o alcance de uma pequena área da física quântica, apontando para uma possível causa da preferência duradoura da biologia por uma forma molecular em detrimento da sua imagem especular.

A simetria começa a quebrar-se

Em películas de ouro, películas de prata e cadeias curtas semelhantes a proteínas, o desequilíbrio manifestou-se através de sinais elétricos desiguais associados ao spin.

Ao acompanhar esses sinais, o professor Yossi Paltiel, da Universidade Hebraica (HUJI), demonstrou que o movimento dos eletrões pode levar as formas especulares das moléculas a comportarem-se de maneira diferente.

As moléculas mantiveram, ainda assim, níveis de energia idênticos. Isso explica por que razão a diferença permaneceu oculta até os eletrões serem postos em movimento.

Esta distinção é importante porque a química dos seres vivos depende do movimento, de colisões e da transferência de carga, e não de moléculas medidas em repouso.

O significado da lateralidade molecular

Muitas moléculas presentes nos seres vivos existem sob a forma de enantiómeros: imagens especulares com a mesma fórmula, mas com formas tridimensionais diferentes.

As células vivas constroem as proteínas sobretudo a partir de aminoácidos de mão esquerda, as pequenas unidades que as constituem, enquanto as moléculas genéticas contêm açúcares de mão direita.

Os biólogos chamam homoquiralidade a este padrão unilateral, em que um sistema vivo usa uma das mãos moleculares em vez de uma mistura em partes iguais das duas.

«Como se tornou a vida homoquiral?», perguntaram Paltiel e os seus colegas, centrando a questão na seleção e não na sobrevivência.

Os efeitos quânticos entram em ação

O movimento das cargas acrescentou a tensão que faltava, pois o spin do eletrão, uma orientação quântica do eletrão, pode orientar a forma como este atravessa a matéria.

Nas moléculas quirais, cujas formas especulares não são sobreponíveis, essa orientação pode favorecer uma direção de deslocação em detrimento da outra.

Os cientistas chamam a este efeito de filtragem do spin em moléculas retorcidas seletividade de spin induzida pela quiralidade (CISS).

Este fenómeno já fazia com que a lateralidade molecular parecesse menos passiva, mas continuava a aparentar ser perfeitamente especular entre as duas mãos opostas.

As reações revelam o desequilíbrio

Nas experiências, a simetria especular só falhou quando os eletrões se moveram, reagiram ou encontraram meios envolventes magnetizados.

Durante o movimento, o acoplamento spin-órbita, que liga o spin do eletrão à sua trajetória, alinha-se de modo diferente em cada forma molecular.

Embora ambas mantenham a mesma energia, a direção do spin aponta para um ângulo diferente dentro da forma própria de cada molécula.

Um teste estático pode não detetar essa diferença, ao passo que uma reação ou o contacto com uma superfície a pode revelar durante processos químicos reais.

As medições confirmam a diferença

Testes elétricos tornaram a discrepância mensurável em películas quirais de ouro e prata, mostrando que não existia apenas na teoria ou num único material específico.

As amostras de ouro apresentaram cerca de 28% de assimetria entre as formas de mão esquerda e de mão direita; nas de prata, o valor foi de cerca de 12%.

A polialanina, uma cadeia curta de unidades de alanina que constituem proteínas, atingiu cerca de 34% sobre ouro e 12% com uma barreira isolante fina.

Essas descidas associaram o efeito ao contacto dos eletrões com superfícies metálicas, em vez de o atribuírem a sujidade nas amostras, à química comum ou a ruído aleatório de laboratório.

Os cálculos explicam a separação

Em seguida, cálculos computacionais verificaram se o mesmo desequilíbrio poderia surgir em moléculas idealizadas, nas quais era possível acompanhar o papel de cada átomo.

A equipa recorreu a cálculos de primeiros princípios, simulações baseadas nas leis fundamentais da física, para acompanhar o spin sem ajustar previamente o resultado.

As duas formas especulares têm a mesma energia, mas os spins dos seus eletrões apontam em direções diferentes no interior da molécula.

Essa separação forneceu uma explicação física para as experiências. Ainda assim, os modelos simplificam a química prebiótica que existia antes das células vivas, na qual muitas reações concorrem em simultâneo.

Uma possível origem da homoquiralidade

Um possível percurso na Terra primitiva começa com a cristalização sobre magnetite de uma candidata a unidade constituinte genética inicial, chamada ribo-aminooxazolina (RAO).

A magnetite, um mineral de ferro naturalmente magnético, pode interagir com moléculas quirais e ser magnetizada por elas.

Em experiências anteriores, obteve-se uma mistura em que cerca de 60% das moléculas correspondiam a uma das formas de RAO; uma segunda cristalização produziu depois cristais inteiramente de uma só mão.

A nova assimetria do spin acrescenta uma razão para que uma das mãos pudesse prevalecer com maior frequência do que a outra nas mesmas condições.

A cautela delimita a conclusão

Ainda assim, o resultado não prova que o spin dos eletrões tenha, por si só, escolhido a química da biologia.

A CISS pode favorecer o movimento e a ligação às superfícies, mas na Terra primitiva existiam também calor, água, luz e misturas minerais mais abstratas.

A RAO sobre magnetite continua a ser um caso de teste, e não uma explicação completa para os primeiros sistemas vivos.

Experiências futuras terão de demonstrar se a mesma preferência persiste em minerais mais irregulares e em misturas químicas naturais mais densas.

Para além das origens químicas da vida

Para lá da investigação sobre as origens da vida, a descoberta aponta para materiais capazes de separar moléculas ou orientar o spin dos eletrões com menos desperdício.

Os químicos poderão ajustar a CISS nas reações, de modo que uma forma molecular reaja mais depressa sem acrescentar muitos passos ao processo.

Os fabricantes de dispositivos poderão também usar camadas quirais para controlar correntes de spin, fluxos de informação magnética através dos materiais.

Estas aplicações ainda estão numa fase inicial, mas o trabalho oferece aos engenheiros um ponto de controlo mais claro do que os anteriormente disponíveis.

A química unilateral da vida parece agora menos um acidente e mais uma consequência moldada pelo movimento das cargas.

Os próximos testes determinarão se este efeito do spin pode passar de sistemas laboratoriais controlados para a química complexa da Terra primitiva, fora de experiências cuidadosamente controladas.