Eletrões em movimento e CISS podem ajudar a explicar a homociralidade da vida

Os eletrões em movimento conseguem fazer com que moléculas em imagem-espelho se comportem de forma desigual, oferecendo uma pista nova para a química “de uma só mão” da vida.

Os resultados alargam um pequeno domínio da física quântica e colocam-no como possível explicação para a preferência duradoura da biologia por uma forma molecular em detrimento do seu reflexo.

A simetria começa a falhar

Em películas de ouro, películas de prata e cadeias curtas do tipo proteico, o desequilíbrio surgiu sob a forma de sinais eléctricos desiguais ligados ao spin.

Ao seguir a origem desses sinais, o professor Yossi Paltiel, da Universidade Hebraica de Jerusalém (HUJI), mostrou que o movimento dos eletrões pode levar duas formas moleculares em espelho a agir de modo assimétrico.

As moléculas continuaram, ainda assim, a apresentar níveis de energia idênticos - o que explica porque é que a diferença permanecia invisível até que os eletrões fossem postos a circular.

Isto é relevante porque a química da vida depende de movimento, colisões e transferência de carga, e não de moléculas analisadas em repouso.

O significado das “mãos” moleculares

Muitas moléculas associadas à vida existem como enantiómeros: formas em imagem-espelho que partilham a mesma fórmula, mas diferem na geometria tridimensional.

Nas células vivas, as proteínas são construídas sobretudo a partir de aminoácidos canhotos (as pequenas unidades que formam proteínas), ao passo que as moléculas genéticas usam açúcares destros.

A esta preferência unilateral, em vez de uma mistura 50/50, os biólogos chamam homociralidade: a adopção de uma única “mão” molecular em todo um sistema vivo.

“Como é que a vida se tornou homociral?” perguntaram Paltiel e colegas, mantendo o foco no problema da selecção e não no da sobrevivência.

Efeitos quânticos ganham importância

A falta de um mecanismo plausível começou a ser colmatada quando se considerou a carga em movimento, porque o spin do eletrão - uma orientação quântica - pode influenciar a forma como os eletrões atravessam a matéria.

Em moléculas quirais (isto é, moléculas cujas imagens-espelho não são sobreponíveis), essa orientação pode favorecer um sentido de passagem em relação ao outro.

A este fenómeno os cientistas chamam selectividade de spin induzida pela quiralidade (CISS), um efeito de “filtro” de spin em moléculas torcidas.

Isto já tornava a “mão” molecular menos passiva, mas, ainda assim, parecia manter uma simetria perfeita entre as duas mãos opostas.

Reacções expõem o desequilíbrio

Nos ensaios, a simetria em espelho só se quebrou quando os eletrões se moveram, reagiram ou interagiram com ambientes magnetizados.

Em movimento, o acoplamento spin-órbita - a ligação entre o spin do eletrão e a sua trajectória - alinha-se de forma distinta dentro de cada forma molecular.

Cada enantiómero conserva a mesma energia, mas a direcção do spin fica apontada para um ângulo diferente, condicionado pela geometria própria da molécula.

Por isso, medições estáticas podem não captar a diferença, enquanto uma reacção ou o contacto com uma superfície a pode revelar durante a química “real”.

Medições confirmam a mudança

Testes eléctricos tornaram a discrepância mensurável em películas quirais de ouro e de prata, e não apenas em teoria ou num material singular.

As amostras de ouro exibiram cerca de 28% de assimetria entre as formas canhota e destra, enquanto as de prata mostraram cerca de 12%.

A polialanina - uma cadeia curta de alanina, um bloco de construção proteico - atingiu cerca de 34% em ouro e 12% quando havia uma barreira isolante fina.

Estas reduções ligaram o efeito ao contacto electrónico com superfícies metálicas, e não a sujidade nas amostras, química comum ou qualquer ruído aleatório de laboratório.

Cálculos explicam a separação

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

A equipa recorreu a cálculos ab initio, simulações baseadas em física fundamental, para seguir o spin sem “ajustar” a resposta.

As duas formas em espelho têm a mesma energia, mas os spins electrónicos ficam orientados em direcções diferentes dentro da estrutura molecular.

Essa separação deu um enquadramento físico para os resultados experimentais, embora os modelos continuem a simplificar a química prebiótica anterior às células vivas, onde muitas reacções competem em simultâneo.

Uma possível história de origem

Um cenário plausível para a Terra primitiva começa com um candidato a bloco de construção genético, a ribo-aminooxazolina (RAO), a cristalizar sobre magnetite.

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

Ensaios anteriores obtiveram uma mistura em que cerca de 60% das moléculas estavam numa das formas de RAO, antes de uma segunda cristalização produzir cristais totalmente de uma só mão.

A nova assimetria de spin acrescenta um motivo para que, nas mesmas condições, uma mão tenha mais hipóteses de prevalecer do que a outra.

A cautela molda a afirmação

Mesmo assim, este resultado não demonstra que o spin do eletrão, por si só, tenha determinado a química da biologia.

O CISS pode enviesar o movimento e a ligação a superfícies, mas a Terra primitiva também incluía calor, água, luz e misturas minerais mais complexas.

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

Os próximos estudos terão de mostrar se a mesma preferência se mantém em minerais mais irregulares e em misturas químicas naturais mais densas e concorrenciais.

Para além das origens químicas da vida

Para lá da investigação sobre origens, o achado aponta para materiais capazes de separar moléculas ou orientar spins electrónicos com menos desperdício.

Químicos poderão ajustar o CISS em reacções, de modo a que uma forma molecular reaja mais depressa sem acrescentar muitos passos extra.

Quem desenvolve dispositivos também poderá usar camadas quirais para controlar correntes de spin, ou seja, fluxos de informação magnética no interior de materiais.

Estas aplicações ainda estão numa fase inicial, mas o trabalho oferece aos engenheiros um ponto de controlo mais claro do que o disponível até aqui.

Assim, a química unilateral da vida passa a parecer menos um acaso e mais uma consequência influenciada por carga em movimento.

Os próximos testes dirão se este efeito de spin consegue escalar de sistemas laboratoriais limpos para a química complexa da Terra primitiva, fora de experiências cuidadosamente controladas.