Electrões em movimento tornam moléculas em imagem‑espelho desiguais e iluminam a química unilateral da vida

Electrões em movimento conseguem levar moléculas em imagem-espelho a comportarem-se de forma desigual, oferecendo uma pista nova para a química unilateral da vida.

Os resultados alargam um nicho da física quântica e colocam-no como possível causa para a preferência persistente da biologia por uma forma molecular em detrimento da sua imagem reflectida.

A simetria começa a falhar

Em películas de ouro, películas de prata e cadeias curtas semelhantes a proteínas, o desvio 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 de electrões pode fazer com que formas moleculares em espelho actuem de modo diferente.

As moléculas mantiveram, ainda assim, níveis de energia idênticos - o que ajuda a perceber porque é que a diferença permaneceu invisível até os electrões serem postos em movimento.

Isto é relevante porque a química dos seres vivos depende de movimento, colisões e transferência de carga, e não de moléculas avaliadas 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 divergem na geometria tridimensional.

Nas células, as proteínas são construídas sobretudo com aminoácidos “canhotos”, as pequenas unidades que compõem as proteínas, enquanto as moléculas genéticas transportam açúcares “destros”.

Os biólogos chamam a esse padrão unilateral homociralidade: a adopção de uma única “mão” molecular em todo um sistema vivo, em vez de uma mistura 50/50.

“How did life become homochiral?” perguntaram Paltiel e os seus colegas, centrando a questão na selecção e não na sobrevivência.

Os efeitos quânticos entram em cena

A carga em movimento trouxe a “tensão” em falta porque o spin electrónico - uma orientação quântica do electrão - pode influenciar a forma como os electrões 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 filtragem de spin em moléculas torcidas.

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

As reacções revelam o desequilíbrio

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

Em movimento, o acoplamento spin-órbita - a ligação entre o spin do electrão e a sua trajectória - ajusta-se de maneira diferente dentro de cada forma molecular.

Cada forma preserva a mesma energia, mas a direcção do spin fica orientada segundo um ângulo distinto, condicionado pela própria geometria da molécula.

Assim, um teste estático pode não detectar a diferença, enquanto uma reacção ou o contacto com uma superfície pode expô-la durante química “real”.

As medições confirmam a alteração

Medições eléctricas tornaram o desfasamento quantificável em películas quirais de ouro e de prata - não apenas em teoria ou num material isolado.

As amostras de ouro apresentaram cerca de 28% de assimetria entre formas canhotas e destras, ao passo que a prata mostrou aproximadamente 12%.

A polialanina, uma cadeia curta de blocos de construção proteicos de alanina, atingiu cerca de 34% em ouro e 12% quando foi usada uma barreira isolante fina.

Essas quebras associaram o efeito ao contacto electrónico com superfícies metálicas, e não a sujidade na amostra, química comum ou ruído aleatório do laboratório.

Os cálculos explicam a separação

De seguida, cálculos computacionais verificaram se o mesmo desbalanceamento poderia surgir em moléculas idealizadas, onde é possível acompanhar o papel de cada átomo.

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

As duas imagens-espelho têm a mesma energia, mas os spins dos electrões apontam em direcções diferentes dentro da molécula.

Esta separação deu uma explicação física às observações experimentais, embora os modelos ainda simplifiquem a química pré-biótica 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 inicial, a ribo-aminooxazolina (RAO), a cristalizar sobre magnetite.

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

Experiências anteriores produziram uma mistura em que cerca de 60% das moléculas estavam numa das formas de RAO, antes de uma segunda cristalização gerar cristais totalmente de uma única “mão”.

A nova assimetria de spin acrescenta um motivo pelo qual uma mão pode vencer mais frequentemente do que a outra nas mesmas condições.

A cautela molda a afirmação

Ainda assim, o resultado não demonstra que o spin do electrão, por si só, tenha escolhido a química da biologia.

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

Experiências futuras terão de mostrar se a mesma preferência se mantém em minerais mais irregulares e em misturas químicas naturais mais densas e concorridas.

Para lá das origens químicas da vida

Para além da investigação sobre origens, o achado aponta para materiais capazes de separar moléculas ou de orientar o spin electrónico com menos desperdício.

Os químicos poderão ajustar a CISS em reacções, fazendo com que uma forma molecular reaja mais depressa sem acrescentar muitas etapas adicionais.

Quem desenvolve dispositivos também poderá usar camadas quirais para controlar correntes de spin, isto é, fluxos de informação magnética através de materiais.

Estas aplicações ainda estão numa fase inicial, mas o trabalho oferece aos engenheiros um ponto de controlo mais nítido do que antes.

A química unilateral da vida passa a parecer menos um acaso e mais uma consequência moldada por carga em movimento.

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