29 دسامبر 2023 – توسط دانشگاه مین
شکل فوق که چهار برهمکنش احتمالی بین دو ذره را نشان می‌دهد، جایی که فلش‌ها نیرویی را نشان می‌دهد که ذره آن رنگ به دلیل گرادیان اطراف ذره رنگ دیگر احساس می‌کند. فعل و انفعالاتی که در گوشه سمت چپ بالا و پایین سمت راست نشان داده شده اند، برهمکنش های متقابل را نشان می دهند که در آن دو ذره به ترتیب یکدیگر را جذب می کنند یا جایی که یکدیگر را دفع می کنند. گرافیک سمت راست بالا وضعیتی را نشان می دهد که در آن ذره قرمز ذره آبی را جذب می کند، اما ذره آبی ذره قرمز را دفع می کند. تصویر پایین سمت چپ وضعیتی را نشان می دهد که ذره قرمز دفع می شود، اما جذب ذره آبی می شود. اعتبار Dean Astumian .
محققان دانشگاه مین و پن استیت کشف کردند که مولکول ها برهمکنش های غیر متقابل را بدون نیروهای خارجی تجربه می کنند.
نیروهای اساسی مانند گرانش و الکترومغناطیس متقابل هستند، که در آن دو جسم به یکدیگر جذب می شوند یا توسط یکدیگر دفع می شوند. با این حال، در تجربه روزمره ما، به نظر نمی رسد که تعاملات از این قانون متقابل پیروی کنند.
به عنوان مثال، شکارچی جذب طعمه می شود، اما طعمه تمایل دارد از شکارگر فرار کند. چنین تعاملات غیر متقابلی برای رفتار پیچیده مرتبط با موجودات زنده ضروری است. برای سیستم‌های میکروسکوپی مانند باکتری‌ها، مکانیسم برهمکنش‌های غیر متقابل توسط نیروهای هیدرودینامیکی یا نیروهای خارجی دیگر توضیح داده شده است، و قبلاً تصور می‌شد که انواع مشابه نیروها می‌توانند برهمکنش‌های بین مولکول‌های منفرد را توضیح دهند.
در کار منتشر شده در Chem، فیزیکدان نظری UMaine، R. Dean Astumian و همکارانش Ayusman Sen و Niladri Sekhar Mandal در Penn State مکانیسم متفاوتی را منتشر کرده اند که توسط آن مولکول های منفرد می توانند به صورت غیر متقابل و بدون اثرات هیدرودینامیکی برهمکنش کنند.
این مکانیسم شیب محلی واکنش دهنده ها و محصولات را به دلیل واکنش هایی که توسط هر کاتالیزور شیمیایی تسهیل می شود، فراخوانی می کند، که یک نمونه بیولوژیکی آن یک آنزیم است. از آنجایی که پاسخ یک کاتالیزور به گرادیان به خواص کاتالیزور بستگی دارد، ممکن است شرایطی وجود داشته باشد که در آن یک مولکول توسط یک مولکول دفع شود اما مولکول دیگر را جذب کند.
“لحظه ی اورکا” نویسندگان زمانی رخ داد که در بحث خود متوجه شدند که خاصیت هر کاتالیزور به نام عدم تقارن جنبشی، جهت پاسخ به گرادیان غلظت را کنترل می کند. از آنجایی که عدم تقارن جنبشی یکی از ویژگی های خود آنزیم است، می تواند دچار تکامل و سازگاری شود.
برهمکنش‌های غیر متقابلی که توسط عدم تقارن جنبشی مجاز می‌شوند نیز نقش مهمی در اجازه دادن به مولکول‌ها برای تعامل با یکدیگر ایفا می‌کنند و ممکن است نقش مهمی در فرآیندهایی داشته باشند که توسط آن ماده ساده پیچیده می‌شود.
بسیاری از کارهای قبلی توسط محققان دیگر در مورد آنچه که در هنگام وقوع فعل و انفعالات غیر متقابل اتفاق می افتد، انجام شده است. این تلاش ها نقش محوری در توسعه حوزه ای به نام «ماده فعال» داشته است. در این کار قبلی، تعاملات غیر متقابل با ادغام نیروهای موردی معرفی شدند.
با این حال، تحقیقی که توسط ماندال، سن و آستومیان توصیف شد، یک مکانیسم مولکولی اساسی را توصیف می‌کند که بوسیله آن چنین برهمکنش‌هایی بین مولکول‌های منفرد ایجاد می‌شود. این تحقیق بر اساس کار قبلی است که در آن همان نویسندگان نشان دادند که چگونه یک مولکول کاتالیزور منفرد می تواند از انرژی حاصل از واکنشی که کاتالیز می کند برای انجام حرکت جهت دار در یک گرادیان غلظت استفاده کند.
عدم تقارن جنبشی که در تعیین برهمکنش‌های غیر متقابل بین کاتالیزورهای مختلف مشخص می‌شود، برای جهت‌دهی ماشین‌های بیومولکولی نیز مهم است و در طراحی موتورها و پمپ‌های مولکولی مصنوعی گنجانده شده است.
هدف همکاری بین آستومیان، سن و ماندال، آشکار کردن اصول سازمانی در پشت پیوندهای سست کاتالیزورهای مختلف است که ممکن است اولین ساختارهای متابولیکی را تشکیل دهند که در نهایت منجر به تکامل زندگی شده است.آستومیان می گوید: «ما در همان مراحل ابتدایی این کار هستیم، اما درک عدم تقارن جنبشی را فرصتی ممکن برای درک چگونگی تکامل زندگی از مولکول های ساده می دانم. نه تنها می تواند بینشی در مورد پیچیدگی ماده ارائه دهد، بلکه عدم تقارن جنبشی را می توان در طراحی ماشین های مولکولی و فناوری های مرتبط نیز مورد استفاده قرار داد.
