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Nanopartículas espirales de luz y lo que nos dicen de la estructura de la vida

 

ANN ARBOR—La luz torcida de estrellas antiguas puede haber jugado un papel en el bloqueo de ciertos aspectos de la estructura de la vida en la Tierra, y los nuevos hallazgos de la Universidad de Michigan proporcionan una visión de cómo se puede haber producido ese proceso.

 

La investigación explora una propiedad llamada “quiralidad”, que se refiere a la disposición de los átomos en las moléculas que no son simétricas. A menudo, más de una disposición de una molécula puede ocurrir en la naturaleza, pero diferentes disposiciones pueden comportarse de maneras diferentes a pesar de que su composición química es la misma.

 

Las manos humanas son a menudo citados como ejemplos de estructuras quirales. La mano izquierda y derecha están hechas de los mismos materiales, pero no son idénticas. Son imágenes de espejo. Los aminoácidos y azúcares dentro de nosotros también vienen en versiones izquierda y derecha, pero a diferencia de las manos, los organismos vivos sólo utilizan los aminoácidos orientados de izquierda-y los azúcares orientados de derecha.

 

Los científicos pueden hacer estos aminoácidos y azúcares en el laboratorio, y cuando lo hacen, resultan aproximadamente el mismo número de moléculas de izquierda y derecha. Pero la plantilla para la vida en la Tierra incluye una sola versión de cada uno. Es un misterioso fenómeno llamado “homoquiralidad.” El nuevo estudio dirigido por UM subraya el papel que la luz puede haber jugado en los orígenes de este fenómeno.

 

Los investigadores han teorizado durante mucho tiempo que un cierto tipo de luz de las estrellas en espiral podría haber creado la quiralidad de relativamente grandes moléculas orgánicas, basadas en carbono, tales como aminoácidos y azúcares en los organismos vivos tempranos. La luz de las estrellas habría brillado en la nube de polvo y gas que, con el tiempo, se convirtió en la Tierra.

 

El estudio de la UM mostró que la luz podría tener un efecto similar, muy pronunciado, en nanopartículas inorgánicas diminutas que no son a base de carbono.

 

“Lo que hemos demostrado es que las nanopartículas de materiales inorgánicos, al igual que los materiales orgánicos como aminoácidos tempranos, no sólo pueden auto-ensamblarse, pero pueden hacerlo de una manera que exhibe quiralidad”, dijo Nicholas Kotov, professor José B. y Florencia V. Cejka de Ingeniería, y un profesor de ingeniería química, ciencia de los materiales e ingeniería y ciencia molecular en la UM.

 

Kotov y sus colegas brillaron luz  circularmente polarizada en las partículas de teluro de cadmio en una solución. A la luz polarizada circularmente, el campo eléctrico de la viga gira alrededor de su componente magnético. (La luz tiene componentes eléctricos y magnéticos y su polarización se refiere a la orientación de cada componente.) Se cree que la luz polarizada circularmente es poco frecuente en el mundo natural de hoy en día, a pesar de que puede no haberlo sido en un momento anterior de la historia del universo.

 

En los experimentos, los investigadores expusieron a un grupo de nanopartículas a luz polarizada circularmente en dirección contraria a las manillas del reloj, y a otro grupo a la luz polarizada en dirección a las agujas del reloj. En cada grupo, más o menos 30 por ciento más de las cintas de partículas resultantes llevaron la quiralidad de la luz a la que fueron expuestas. Ese porcentaje es diez veces más alto que el que los investigadores han observado en moléculas más grandes, dijo Kotov.

 

Kotov discutió el mecanismo detrás de los resultados. Al comienzo de los experimentos, las soluciones de nanopartículas contenían una mezcla de partículas de izquierda y derecha correctas. Los investigadores teorizan que aquellas que tienen una quiralidad similar a la de la luz a la cual fueron expuestas reaccionaron de manera que las hicieron crecer o a atraer más partículas a ellas. Cuando la dirección de la rotación de luz coincide con la orientación de las partículas, pueden ocurrir reacciones químicas, incluyendo la oxidación, lo que implica la pérdida de electrones. Esos electrones libres, con carga negativa añaden cargas a la mezcla. Las cargas permitieron a las nanoparticulas reaccionar a las cargas habilitadas las nanopartículas para reaccionar de maneras que favorezcieron más de lo mismo.

“La quiralidad se acumula”, dijo Kotov.

 

Kotov dice que los primeros organismos vivos eran probablemente de microescala, y se apresura a señalar que el nuevo trabajo no dice que cintas de nanopartículas de cualquier tipo son precursoras de la vida.

 

“No sabemos todavía cómo las moléculas orgánicas y nanopartículas inorgánicas interactuaron”, dijo Kotov, “o cómo quiralidad evolucionó hasta convertirse en izquierda para los aminoácidos y en derecha para azúcares. Pero creemos que la búsqueda de respuestas debe incluir la consideración no sólo de materia orgánica, pero (también) las nanopartículas inorgánicas, lo cual en realidad es bastante significativo”.

 

Más allá de los conocimientos sobre la estructura de la vida, la investigación podría ser utilizada para desarrollar una nueva y más barata manera de hacer moléculas de izquierda o derecha. Los métodos actuales de inducir quiralidad, como se llama este proceso, es difícil y costoso. Sin embargo, tiene aplicaciones en áreas tales como la farmacéutica, sensores vestibles o implantados, telecomunicaciones y tecnologías de visualización. Las nanoestructuras quirales podrían ayudar a duplicar el ancho de banda de información de estos dispositivos utilizando  luz polarizada izquierda y derecha, dice Kotov.

 

El documento titulado “Plantilla  quiral de nanoestructuras de autoensamblaje por luz polarizada circularmente” se publica en la edición actual de Nature Materials. La investigación es financiada en parte por el Centro de Conversión de  Energía Solar y Térmica, un Centro de Investigación de Vanguardia de la Energía, financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos; la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de la Salud, entre otras fuentes.

 

 

Recursos relacionados:

Abstracto “Plantilla  quiral de nanoestructuras de autoensamblaje por luz polarizada circularmente” (en inglés) http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4125.html

 

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