重新定义分子物理学:动力学不对称的惊人现象

重新定义分子物理学:动力学不对称的惊人现象

一组研究人员发现了一种新的方式,即分子可以通过一种涉及动力学不对称的机制在没有外力的情况下进行非互惠相互作用。这一发现挑战了关于分子相互作用的传统观点,并可能对理解生命的进化和设计分子机器产生深远的影响。

科学家们发现,分子可以在没有外力的情况下以非互惠的方式相互作用,这一发现可能会改变我们对分子相互作用和生命进化的理解。

缅因大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员发现,分子在没有外力的情况下会经历非互惠相互作用。

重力和电磁力等基本力是相互的,其中两个物体相互吸引或相互排斥。然而,在我们的日常经验中,互动似乎并不遵循这种互惠法则。例如,捕食者被猎物吸引,但猎物倾向于逃离捕食者。这种非互惠的相互作用对于与生物体相关的复杂行为至关重要。

 

对于细菌等微观系统,非相互相互作用的机制已经通过流体动力学或其他外力来解释,以前认为类似类型的力可以解释单个分子之间的相互作用。

在著名的细胞出版社期刊《化学》上发表的研究中,UMaine理论物理学家R. Dean Astumian和宾夕法尼亚州立大学的合作者Ayusman Sen和Niladri Sekhar Mandal发表了一种不同的机制,通过该机制,单个分子可以非互惠地相互作用而没有流体动力学效应。

由于每种化学催化剂促进的反应,这种机制会调用反应物和产物的局部梯度,其中的生物学例子是酶。由于催化剂对梯度的响应取决于催化剂的性质,因此可能会出现一个分子被另一个分子排斥但吸引另一个分子的情况。

动力学不对称性:一个关键因素

作者的“尤里卡时刻”发生在他们的讨论中,他们意识到每种催化剂的一种特性,即动力学不对称性,控制着对浓度梯度的响应方向。因为动力学不对称是酶本身的一种特性,所以它可以经历进化和适应。动力学不对称性允许的非互惠相互作用在允许分子相互作用方面也起着至关重要的作用,并且可能在简单物质变得复杂的过程中发挥了关键作用。

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说明两个粒子之间四种可能的相互作用的图形,其中箭头表示该颜色的粒子由于另一个颜色的粒子周围的渐变而受到的力。左上角和右下角所示的相互作用说明了两个粒子相互吸引或相互排斥的相互相互作用。右上图说明了红色粒子吸引蓝色粒子,但蓝色粒子排斥红色粒子的情况。左下角的图形说明了红色粒子排斥蓝色粒子但被蓝色粒子吸引的情况.

其他研究人员之前已经做过很多关于发生非互惠相互作用时会发生什么的工作。这些努力在被称为“活性物质”的领域的发展中发挥了核心作用。在早期的工作中,非互惠的相互作用是通过加入临时力量引入的。

然而,Mandal、Sen 和 Astumian 描述的研究描述了一种基本的分子机制,通过该机制,这种相互作用可以在单个分子之间产生。这项研究建立在早期的工作基础上,其中同一位作者展示了单个催化剂分子如何利用其催化的反应的能量在浓度梯度中进行定向运动。

对生物分子机器和早期生命的影响

在确定不同催化剂之间的非相互相互作用方面具有的动力学不对称性也被证明对生物分子机器的方向性很重要,并已被纳入合成分子马达和泵的设计中。

Astumian、Sen 和 Mandal 之间的合作旨在揭示不同催化剂松散关联的组织原理,这些催化剂可能形成了最终导致生命进化的最早代谢结构。

“我们正处于这项工作的最初阶段,但我认为理解动力学不对称性是理解生命如何从简单分子进化而来的可能机会,”Astumian说。“它不仅可以提供对物质复杂性的洞察力,动力学不对称性还可以用于分子机器和相关技术的设计。

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