La Entropía Y La Forma De Las Partículas Causan Quiralidad En Sistemas Densos

Los triángulos achirales forman superestructuras quirales

Las manchas de color en el campo de los triángulos indican estructuras quirales recién formadas. Los parches de colores representan contornos de paralelogramo alrededor de pares de triángulos que han formado superestructuras quirales. Los paralelogramos que tienen diferente “lateralidad” y orientaciones están codificados por colores y superpuestos entre sí. Crédito: Thomas G. Mason y Kun Zhao

Para comprender mejor por qué las moléculas funcionales en nuestros cuerpos casi siempre ocurren en una sola forma quiral, los científicos de UCLA buscaron descubrir cómo ocurre la quiralidad. Al usar la litografía para crear partículas a microescala, los investigadores encontraron que la entropía y la forma de las partículas son suficientes para hacer que la quiralidad aparezca espontáneamente en sistemas densos.

La inmensa mayoría de las proteínas y otras moléculas funcionales de nuestro cuerpo muestran una característica molecular sorprendente: pueden existir en dos formas distintas que son imágenes especulares entre sí, como la mano derecha y la mano izquierda. Sorprendentemente, cada uno de nuestros cuerpos prefiere solo una de estas formas moleculares.

Este fenómeno de imagen especular, conocido como quiralidad o “destreza manual”, ha capturado la imaginación de un grupo de investigación de UCLA dirigido por Thomas G. Mason, profesor de química y física y miembro del Instituto de NanoSistemas de California en UCLA.

Mason ha estado explorando cómo y por qué surge la quiralidad, y sus hallazgos más recientes sobre los orígenes físicos del fenómeno se publicaron el 1 de mayo en la revista Nature Communications.

“Los objetos como nuestras manos son quirales, mientras que los objetos como los triángulos regulares son aquirales, lo que significa que no tienen sentido de las manos”, dijo Mason, autor principal del estudio. “Los objetos achirales se pueden superponer fácilmente unos sobre otros”.

Por qué muchas de las moléculas funcionales importantes en nuestros cuerpos casi siempre ocurren en una sola forma quiral cuando podrían existir potencialmente en cualquiera de las dos es un misterio que ha confundido a los investigadores durante años.

“Nuestros cuerpos contienen moléculas importantes como proteínas que, en su mayoría, tienen un tipo de quiralidad”, dijo Mason. “La otra forma quiral esencialmente no se encuentra. Eso me parece fascinante. Preguntamos: ‘¿Es posible que esta preferencia biológica de una quiralidad particular tenga un origen físico?’ ”

Al abordar esta pregunta, Mason y su equipo buscaron descubrir cómo ocurre la quiralidad en primer lugar. Sus hallazgos ofrecen nuevos conocimientos sobre cómo el fenómeno puede surgir espontáneamente, incluso con bloques de construcción aquirales.

Mason y sus colegas utilizaron una técnica de fabricación llamada litografía, que es la base para fabricar chips de computadora, para crear millones de partículas a microescala en forma de triángulos aquirales. En el pasado, Mason ha utilizado esta técnica para “imprimir” partículas en una amplia variedad de formas, e incluso en forma de letras del alfabeto.

Usando microscopía óptica, los investigadores luego estudiaron sistemas muy densos de estas partículas triangulares litográficas. Para su sorpresa, descubrieron que los triángulos aquirales se organizaron espontáneamente para formar “superestructuras” de dos triángulos, y cada superestructura exhibía una quiralidad particular.

En la imagen que acompaña a este artículo, los contornos coloreados en el campo de los triángulos indican superestructuras quirales que tienen orientaciones particulares.

Entonces, ¿qué está causando que ocurra este fenómeno? Entropía, dice Mason. Su grupo ha demostrado por primera vez que las estructuras quirales pueden originarse a partir de fuerzas entrópicas físicas que actúan sobre partículas aquirales uniformes.

“Es bastante extraño”, dijo Mason. “Estás comenzando con componentes aquirales, triángulos, que se someten al movimiento browniano y terminas con la formación espontánea de superestructuras que tienen un sentido lateral o quiral. Nunca lo hubiera anticipado en un millón de años “.

La entropía generalmente se considera una fuerza desordenada, pero eso no captura sus aspectos más sutiles. En este caso, cuando las partículas triangulares se difunden e interactúan a densidades muy altas en una superficie plana, cada partícula puede maximizar su “margen de maniobra” al ordenarse parcialmente en un cristal líquido (una fase de materia entre un líquido y un sólido ) hecha de superestructuras quirales de triángulos.

“Descubrimos que solo dos ingredientes físicos, la entropía y la forma de las partículas, son suficientes para hacer que la quiralidad aparezca espontáneamente en sistemas densos”, dijo Mason. “En mis 25 años de investigación, nunca pensé que vería ocurrir quiralidad en un sistema de objetos aquirales impulsados ​​por fuerzas entrópicas”.

En cuanto al futuro de esta investigación, “Estamos muy interesados ​​en ver qué sucede con otras formas y si eventualmente podemos controlar las formaciones quirales que vemos que ocurren aquí de manera espontánea”, dijo.

“Para mí, es intrigante, porque pienso en la preferencia quiral en biología”, agregó Mason. “¿Cómo sucedió esta preferencia quiral? ¿Cuáles son los ingredientes mínimos para que eso ocurra? Estamos aprendiendo algunas reglas físicas nuevas, pero la historia en biología está lejos de estar completa. Hemos agregado otro capítulo a la historia y estoy asombrado por estos hallazgos “.

Para obtener más información, un tablero de mensajes acompaña la publicación en Nature Communications, una revista en línea, como un foro de discusión interactiva.

Esta investigación fue financiada por la Universidad de California. Kun Zhao, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Mason, hizo muchas contribuciones clave, incluida la fabricación de partículas triangulares, la creación del sistema bidimensional de partículas, la realización de experimentos de microscopía óptica, la realización de análisis extensivos de seguimiento de partículas e interpretación de los resultados.

Junto con Mason, el coautor Robijn Bruinsma, profesor de física teórica de UCLA y miembro del California NanoSystems Institute en UCLA, contribuyó a la comprensión de la ruptura de la simetría quiral y las fases de cristal líquido.

Imagen: Thomas G. Mason y Kun Zhao

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