La redéfinition de la physique moléculaire : Le phénomène surprenant de l’asymétrie cinétique

Patrick Lesggie

Une équipe de chercheurs a découvert une nouvelle manière dont les molécules peuvent interagir de manière non réciproque sans forces externes, à travers un mécanisme impliquant l’asymétrie cinétique. Cette découverte remet en question les vues traditionnelles sur les interactions moléculaires et pourrait avoir des implications profondes pour la compréhension de l’évolution de la vie et la conception de machines moléculaires.

Les scientifiques ont découvert que les molécules peuvent interagir de manière non réciproque sans forces externes, une découverte qui pourrait modifier notre compréhension des interactions moléculaires et de l’évolution de la vie.

Des chercheurs de l’Université du Maine et de Penn State ont découvert que les molécules vivent des interactions non réciproques sans forces externes.

Des forces fondamentales telles que la gravité et l’électromagnétisme sont réciproques, où deux objets s’attirent ou se repoussent mutuellement. Cependant, dans notre expérience quotidienne, les interactions ne semblent pas suivre cette loi réciproque. Par exemple, un prédateur est attiré par sa proie, mais la proie a tendance à fuir le prédateur. Ces interactions non réciproques sont essentielles pour le comportement complexe associé aux organismes vivants.

Pour les systèmes microscopiques tels que les bactéries, le mécanisme des interactions non réciproques a été expliqué par des forces hydrodynamiques ou d’autres forces externes, et il était précédemment pensé que des types similaires de forces pourraient expliquer les interactions entre les molécules individuelles.

Dans un article publié dans le prestigieux journal Cell Press Chem, le physicien théoricien de l’Université du Maine R. Dean Astumian et ses collaborateurs Ayusman Sen et Niladri Sekhar Mandal de Penn State ont publié un mécanisme différent par lequel les molécules individuelles peuvent interagir de manière non réciproque sans effets hydrodynamiques.

Un facteur clé : l’asymétrie cinétique

Le « moment Eureka » des auteurs s’est produit lorsqu’ils ont réalisé, au cours de leur discussion, qu’une propriété de chaque catalyseur connue sous le nom d’asymétrie cinétique contrôle la direction de la réponse à un gradient de concentration. Parce que l’asymétrie cinétique est une propriété de l’enzyme elle-même, elle peut subir une évolution et une adaptation. Les interactions non réciproques permises par l’asymétrie cinétique jouent également un rôle crucial dans la possibilité pour les molécules d’interagir les unes avec les autres, et ont peut-être joué un rôle critique dans les processus par lesquels la matière simple devient complexe.

Des molécules présentent des interactions non réciproques sans forces externes

Une illustration graphique des quatre interactions possibles entre deux particules, où les flèches indiquent la force ressentie par la particule de cette couleur en raison du gradient entourant la particule de l’autre couleur. Les interactions montrées dans le coin supérieur gauche et le coin inférieur droit illustrent des interactions réciproques où les deux particules s’attirent mutuellement, ou se repoussent mutuellement, respectivement. Le graphique en haut à droite illustre une situation où la particule rouge attire la particule bleue, mais que la particule bleue repousse la particule rouge. Le graphique en bas à gauche illustre une situation où la particule rouge repousse, mais attire, la particule bleue. Crédit : R. Dean Astumian. Crédit : R. Dean Astumian

Bien des travaux antérieurs ont été effectués par d’autres chercheurs sur ce qu’il se passe lorsque des interactions non réciproques se produisent. Ces efforts ont joué un rôle central dans le développement d’un domaine connu sous le nom de « matière active ». Dans ces travaux antérieurs, les interactions non réciproques ont été introduites par l’incorporation de forces ad hoc.

Cependant, la recherche décrite par Mandal, Sen et Astumian décrit un mécanisme moléculaire de base par lequel de telles interactions peuvent se produire entre les molécules individuelles. Cette recherche s’appuie sur des travaux antérieurs dans lesquels les mêmes auteurs ont montré comment une seule molécule de catalyseur pouvait utiliser l’énergie de la réaction qu’elle catalysait pour effectuer un mouvement directionnel dans un gradient de concentration.

Impact sur les machines biomoléculaires et la vie primitive

L’asymétrie cinétique qui intervient dans la détermination des interactions non réciproques entre différents catalyseurs a également été démontrée comme étant importante pour la directionnalité des machines biomoléculaires, et a été incorporée dans la conception de moteurs moléculaires et pompes synthétiques.

La collaboration entre Astumian, Sen et Mandal vise à révéler les principes d’organisation derrière les associations lâches de différents catalyseurs qui ont peut-être formé les premières structures métaboliques ayant finalement conduit à l’évolution de la vie.

« Nous en sommes aux tout premiers stades de ce travail, mais je vois la compréhension de l’asymétrie cinétique comme une opportunité possible de comprendre comment la vie a évolué à partir de molécules simples », déclare Astumian. « Non seulement cela peut-il apporter un éclairage sur la complexification de la matière, mais l’asymétrie cinétique peut également être utilisée dans la conception de machines moléculaires et des technologies associées. »

Référence : « Une origine moléculaire des interactions non réciproques entre des catalyseurs actifs interagissant » par Niladri Sekhar Mandal, Ayusman Sen et R. Dean Astumian, 29 décembre 2023, Chem. DOI : 10.1016/j.chempr.2023.11.017

Astumian a rejoint le département de physique et d’astronomie de l’UMaine en 2001. Ses recherches portent sur la biophysique, la physique de la matière condensée et les machines moléculaires chimiquement induites.

Il a été nommé membre de l’Association américaine pour l’avancement de la science (AAAS) en 2016. Il a également reçu d’autres distinctions, notamment le prix Galvani de la Bio-electrochemical Society, le prix Humboldt, le prix Feynman et le prix Horizon de la Royal Society of Chemistry, le prix Perkin en chimie organique physique.