Efek magnetis di awal kehidupan?

Kredit: Materi Tingkat Lanjut (2023). DOI: 10.1002/adma.202308666

Biomolekul seperti asam amino dan gula ada dalam dua bentuk bayangan cermin – namun hanya satu yang selalu ditemukan di semua organisme hidup. Mengapa demikian masih belum jelas. Para ilmuwan dari Empa dan Forschungszentrum Jülich di Jerman kini telah menemukan bukti bahwa interaksi medan listrik dan magnet bisa jadi menjadi asal muasal fenomena ini.

Apa yang disebut homokiralitas kehidupan – fakta bahwa semua biomolekul dalam organisme hidup selalu ada hanya dalam satu dari dua bentuk bayangan cermin – telah membingungkan sejumlah tokoh ilmiah, mulai dari penemu kiralitas molekuler Louis Pasteur hingga William Thomson (Lord Kelvin ) dan pemenang Hadiah Nobel Pierre Curie.

Penjelasan yang jelas masih kurang, karena kedua bentuk tersebut, misalnya, memiliki stabilitas kimia yang sama dan tidak berbeda satu sama lain dalam sifat fisikokimia. Namun, segera muncul hipotesis bahwa interaksi antara medan listrik dan magnet dapat menjelaskan preferensi terhadap satu atau bentuk bayangan cermin dari molekul – yang disebut enansiomer.

Namun, baru beberapa tahun yang lalu bukti tidak langsung pertama muncul bahwa kombinasi berbeda dari medan gaya ini sebenarnya dapat “membedakan” dua bayangan cermin sebuah molekul. Hal ini dicapai dengan mempelajari interaksi molekul kiral dengan permukaan logam yang menunjukkan medan listrik kuat dalam jarak pendek.

Permukaan logam magnetis seperti besi, kobalt, atau nikel memungkinkan berbagai cara menggabungkan medan listrik dan magnet — arah magnetisasi dibalik, dari “Utara ke atas – Selatan ke bawah” ke “Selatan ke atas – Utara ke bawah”.

Jika interaksi magnetisme dan medan listrik benar-benar memicu efek “enantioselektif”, maka kekuatan interaksi antara molekul kiral dan permukaan magnet juga harus berbeda, misalnya, bergantung pada apakah molekul dekstrorotatori atau levorotatori “duduk”. Permukaan.

Bayangan cermin lebih menyukai medan magnet yang berlawanan

Dan hal ini memang benar terjadi, seperti yang dilaporkan dalam jurnal Advanced Materials oleh tim peneliti yang dipimpin oleh Karl-Heinz Ernst dari laboratorium Surface Science and Coating Technologies milik Empa dan rekan-rekannya dari Peter Grünberg Institute di Forschungszentrum Jülich di Jerman.

Tim tersebut menutupi permukaan tembaga (non-magnetik) dengan “pulau” kobalt magnetik kecil dan sangat tipis dan menentukan arah medan magnet di dalamnya menggunakan mikroskop terowongan pemindaian terpolarisasi spin; seperti telah disebutkan, hal ini dapat terjadi dalam dua arah berbeda yang tegak lurus terhadap permukaan logam: utara ke atas atau selatan ke atas. Mereka kemudian mendepositkan molekul kiral heliks – campuran molekul heptahelicene sisi kiri dan kanan dengan perbandingan 1:1 – di pulau kobalt ini dalam ruang hampa yang sangat tinggi.

Kredit: Materi Tingkat Lanjut (2023). DOI: 10.1002/adma.202308666

Mereka kemudian “sederhana” menghitung jumlah molekul helisen di pulau kobalt yang memiliki magnet berbeda, totalnya hampir 800 molekul, sekali lagi menggunakan pemindaian mikroskop terowongan. Dan ini dia: Bergantung pada arah medan magnet, salah satu bentuk spiral heliks lebih disukai menetap.

Selain itu, percobaan menunjukkan bahwa seleksi – preferensi terhadap satu atau enansiomer lainnya – tidak hanya terjadi selama pengikatan ke pulau kobalt, tetapi sudah terjadi sebelumnya.

Sebelum molekul mengambil posisi akhir (yang diinginkan) di salah satu pulau kobalt, mereka bermigrasi jarak jauh di atas permukaan tembaga dalam keadaan prekursor yang jauh lebih lemah dalam “mencari” posisi ideal. Mereka terikat ke permukaan hanya oleh apa yang disebut gaya van der Waals. Hal ini hanya disebabkan oleh fluktuasi pada kulit elektron atom dan molekul dan oleh karena itu relatif lemah. Fakta bahwa mereka juga dipengaruhi oleh magnetisme, yaitu arah putaran (putaran) elektron, hingga saat ini belum diketahui.

Elektron dengan putaran “buruk” disaring

Dengan menggunakan pemindaian mikroskop terowongan, para ilmuwan telah memecahkan misteri lain, seperti yang dilaporkan dalam jurnal Small pada November 2023. Pengangkutan elektron—yaitu arus listrik—juga bergantung pada kombinasi manipulasi molekul dan magnetisasi permukaan.

Bergantung pada kesewenang-wenangan molekul yang terikat, elektron dengan satu arah putaran lebih disukai mengalir—atau “terowongan”—melalui molekul, yang berarti bahwa elektron dengan putaran yang “salah” akan disaring. Selektivitas putaran yang disebabkan oleh kiralitas ini telah diamati dalam penelitian sebelumnya, tetapi masih belum jelas apakah diperlukan kumpulan molekul atau apakah masing-masing molekul juga menunjukkan efek ini.

Ernst dan rekan-rekannya kini telah mampu menunjukkan bahwa masing-masing molekul helisen juga menunjukkan efek CISS. “Tetapi fisika di baliknya masih belum dipahami,” Ernst mengakui.

Peneliti Empa ini juga berpendapat bahwa temuannya pada akhirnya tidak dapat sepenuhnya menjawab pertanyaan tentang kiralitas kehidupan. Dengan kata lain, sebuah pertanyaan yang oleh peraih Nobel bidang kimia dan ahli kimia ETH Vladimir Prelog disebut sebagai “salah satu masalah pertama teologi molekuler” dalam kuliah Hadiah Nobelnya pada tahun 1975.

Namun, Ernst dapat membayangkan bahwa dalam reaksi kimia tertentu yang dikatalisis oleh permukaan—seperti yang mungkin terjadi pada “sup primordial” kimiawi di masa awal Bumi—kombinasi medan listrik dan magnet tertentu dapat menyebabkan akumulasi permanen satu medan magnet. dari mereka. bentuk atau berbagai biomolekul lainnya – dan pada akhirnya pada pengendalian kehidupan.

Informasi lebih lanjut:
Mohammad Reza Safari dkk., Adsorpsi Enantioselektif pada Permukaan Magnetik, Material Tingkat Lanjut (2023). DOI: 10.1002/adma.202308666

Disediakan oleh Laboratorium Federal Swiss untuk Ilmu dan Teknologi Material

Kutipan: Efek magnetik pada awal kehidupan? Perputarannyalah yang membuat perbedaan (2024, 20 Februari) Diakses pada 21 Februari 2024, dari https://phys.org/news/2024-02-magnetic-effects-life-difference.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Kecuali untuk tindakan bonafid apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.