Le biomolecole come gli aminoacidi e gli zuccheri si presentano in due forme speculari: in tutti gli organismi viventi, tuttavia, ne viene trovata solo una. Perché ciò avvenga non è ancora chiaro. I ricercatori dell’Empa e del Forschungszentrum J lich in Germania hanno ora trovato prove che l’interazione tra campi elettrici e magnetici potrebbe essere all’origine di questo fenomeno.
La cosiddetta omochiralità della vita – il fatto che tutte le biomolecole negli organismi viventi si presentano solo in una delle due forme speculari – ha sconcertato numerosi luminari della scienza, dallo scopritore della chiralità molecolare, Louis Pasteur, a William Thomson (Lord Kelvin) e il premio Nobel Pierre Curie. Manca ancora una spiegazione conclusiva, poiché entrambe le forme hanno, ad esempio, la stessa stabilità chimica e non differiscono l’una dall’altra nelle loro proprietà fisico-chimiche. Tuttavia, l’ipotesi che l’interazione tra campi elettrici e magnetici potesse spiegare la preferenza per l’una o l’altra forma speculare di una molecola, i cosiddetti enantiomeri, è emersa presto.
Solo pochi anni fa, però, è emersa la prima prova indiretta che le varie combinazioni di questi campi di forza possono effettivamente “distinguere” tra le due immagini speculari di una molecola. Ciò è stato ottenuto studiando l’interazione delle molecole chirali con superfici metalliche che presentano un forte campo elettrico su brevi distanze. Le superfici dei metalli magnetici come ferro, cobalto o nichel consentono quindi di combinare i campi elettrici e magnetici in vari modi: la direzione della magnetizzazione viene semplicemente invertita, da “Nord su – Sud giù” a “Sud su – Nord giù.” Se l’interazione tra magnetismo e campi elettrici innesca effettivamente effetti “enantioselettivi”, allora anche la forza dell’interazione tra molecole chirali e superfici magnetiche dovrebbe differire, ad esempio, a seconda che una molecola destrorsa o mancina si “stabilisca” sulla superficie.
Le immagini speculari preferiscono campi magnetici opposti
E proprio così, come hanno recentemente riferito sulla rivista scientifica un team di ricercatori guidato da Karl-Heinz Ernst del laboratorio di scienze delle superfici e tecnologie di rivestimento dell’Empa e colleghi dell’istituto Peter Grünberg del Forschungszentrum Jülich in Germania Materiale avanzato. Il team ha rivestito una superficie di rame (non magnetica) con piccole “isole” ultrasottili di cobalto magnetico e ha determinato la direzione del campo magnetico in queste utilizzando la microscopia a effetto tunnel con spin polarizzato; come accennato prima, questo può scorrere in due diverse direzioni perpendicolari alla superficie metallica: Nord in alto o Sud in alto. Hanno quindi depositato molecole chirali a forma di spirale – una miscela 1:1 di molecole di eptaelicene levogire e levogire – su queste isole di cobalto nel vuoto ultraelevato.
Poi hanno “semplicemente” contato il numero di molecole di elicene destrorse e levogire sulle isole di cobalto diversamente magnetizzate, quasi 800 molecole in totale, sempre utilizzando la microscopia a effetto tunnel. Ed ecco: a seconda della direzione del campo magnetico si è formata preferenzialmente l’una o l’altra forma delle spirali dell’elicene (vedi lato destro del grafico).
Inoltre, gli esperimenti hanno dimostrato che la selezione – la preferenza per l’uno o l’altro enantiomero – non avviene solo durante il legame sulle isole di cobalto, ma già prima. Prima che le molecole assumano la loro posizione finale (preferita) su una delle isole di cobalto, migrano per lunghe distanze attraverso la superficie del rame in uno stato precursore legato significativamente più debole alla “cerca” di una posizione ideale. Sono legati alla superficie solo dalle cosiddette forze di van der Waals. Questi sono causati semplicemente da fluttuazioni nel guscio elettronico di atomi e molecole e sono quindi relativamente deboli. Finora non era noto il fatto che anche questi siano influenzati dal magnetismo, cioè dalla direzione di rotazione (spin) degli elettroni.
Gli elettroni con lo spin “sbagliato” vengono filtrati
Utilizzando la microscopia a scansione tunnel, i ricercatori sono stati anche in grado di risolvere un altro mistero, come riportato sulla rivista Small lo scorso novembre. Il trasporto degli elettroni, cioè della corrente elettrica, dipende anche dalla combinazione di manovrabilità molecolare e magnetizzazione della superficie. A seconda della manovrabilità della molecola legata, gli elettroni con una direzione di spin fluiscono preferenzialmente – o “tunnel” – attraverso la molecola, il che significa che gli elettroni con lo spin “sbagliato” vengono filtrati. Questa selettività di spin indotta dalla chiralità (effetto CISS, vedi lato sinistro del grafico) era già stata osservata in studi precedenti, ma non era chiaro se a questo scopo fosse necessario un insieme di molecole o se anche le singole molecole presentassero questo effetto. Ernst e i suoi colleghi sono ora riusciti a dimostrare che anche le singole molecole di elicene manifestano l’effetto CISS. “Ma la fisica che sta dietro a tutto ciò non è ancora stata compresa”, ammette Ernst.
Il ricercatore dell’Empa ritiene inoltre che le sue scoperte alla fine non potranno rispondere completamente alla domanda sulla chiralità della vita. In altre parole, la questione che il premio Nobel per la chimica e chimico dell’ETH Vladimir Prelog descrisse come “uno dei primi problemi della teologia molecolare” nella sua conferenza per il Premio Nobel nel 1975. Ma Ernst può immaginare che in determinate reazioni chimiche catalizzate dalla superficie – come quelli che potrebbero aver avuto luogo nel “brodo primordiale” chimico della Terra primordiale – una certa combinazione di campi elettrici e magnetici potrebbe aver portato ad un accumulo costante di una forma o dell’altra delle varie biomolecole – e quindi, in definitiva, alla manualità della vita.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
