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Força nuclear fraca confere assimetria à bioquímica da vida

Elétrons "canhotos" destroem certas moléculas orgânicas mais rápido que suas versões especulares "destras"

 

Brett Weinstein via Flickr
 
Por Elizabeth Gibney e Revista Nature

Físicos encontraram indícios de que a assimetria da vida – o fato de que a maior parte das moléculas bioquímicas é ‘canhota’ ou ‘destra’ – poderia ser provocada por elétrons originários do decaimento nuclear nos primórdios da evolução. Em um experimento que levou 13 anos para ser aperfeiçoado, os pesquisadores descobriram que esses elétrons tendem a degradar certas moléculas orgânicas com uma frequência levemente maior do que degradam suas imagens-espelho.

Muitas moléculas orgânicas, incluindo a glicose e a maioria dos aminoácidos, são “quirais”. Isso significa que elas são diferentes de suas moléculas espelhadas, como ocorre com as mãos direita e esquerda. Além disso, nesses casos a vida tende a usar consistentemente uma das versões possíveis – a dupla hélice do DNA, por exemplo, sempre se curva como um parafuso destro em sua forma padrão. Mas a razão dessa preferência permaneceu misteriosa durante muito tempo.

Muitos cientistas acreditavam que essa escolha se devia unicamente ao acaso. Em uma das aconchegantes poças cheias de moléculas orgânicas onde a vida surgiu, seria possível que uma falha estatística tivesse gerado um pequeno desequilíbrio nas quantidades relativas das duas versões de uma substância química. Esse pequeno desequilíbrio poderia ter sido amplificado com o passar do tempo.

Mas uma assimetria nas leis da natureza levou outros a perguntar se algum fenômeno físico poderia ter alterado o equilíbrio durante os estágios iniciais da vida. A força nuclear fraca, que está envolvida no decaimento nuclear, é a única força da Natureza conhecida por ter preferência por lados: elétrons criados no processo subatômico conhecido como decaimento β sempre são ‘canhotos’. Isso significa que seu spin – uma propriedade quântica análoga à magnetização de um ímã em barra – é sempre oposta na direção do movimento do elétron.

Em 1967, o bioquímico Frederic Vester e o cientista ambiental Tilo Ulbricht propuseram que fótons gerados por esses elétrons de spin polarizado – que são produzidos no decaimento de materiais radioativos ou de partículas de raios cósmicos na atmosfera – poderiam ter destruído mais um tipo de molécula que outro, criando um desequilíbrio. Desde então, alguns físicos sugeriram que os próprios elétrons pudessem ser a fonte da assimetria.

Mas a caçada para encontrar processos químicos em que elétrons ou fótons pudessem destruir uma versão de uma molécula em vez de sua versão espelhada teve pouco sucesso. Muitas alegações se provaram impossíveis de reproduzir. Os poucos experimentos em que a lateralidade dos elétrons produzia um desequilíbrio quiral não conseguiam identificar o processo químico por trás dela, explica Timothy Gay, físico-químico da University of Nebraska-Lincoln, e coautor do estudo mais recente. Mas ele adiciona que identificar uma reação química poderia ajudar cientistas a eliminar alguns candidatos a causa desse processo, e melhor compreender sua física subjacente.

Indo Devagar

Gay e Joan Dreiling, física também da University of Nebraska-Lincoln, dispararam elétrons de baixa energia, com spin polarizado, contra um gás de bromocânfora, um composto orgânico usado em algumas partes do mundo como sedativo. Na reação resultante, alguns elétrons foram capturados pelas moléculas, que então foram colocadas em um estado excitado. Em seguida as moléculas colapsaram, produzindo íons brometo e outros compostos altamente reativos. Ao medir o fluxo de íons produzidos, os pesquisadores puderam ver com que frequência a reação ocorria para cada lateralidade de elétron.

Os pesquisadores descobriram que a bromocânfora canhota tinha uma tendência apenas um pouco maior de reagir com elétrons destros do que com elétrons canhotos. O oposto foi verdadeiro quando usaram moléculas destras de bromocânfora. Em energias mais baixas a direção da preferência mudou, provocando uma assimetria oposta.

Em todos os casos a assimetria era mínima, mas consistente, como no lançamento de uma moeda não muito justa. “A escala da assimetria é como se lançássemos 20 mil moedas repetidamente e, em média, 10.003 delas dessem cara enquanto 9.997 dessem coroa”, compara Dreiling.

A baixa velocidade dos elétrons foi fundamental para o sucesso do experimento após tantos anos, adiciona Dreiling. “A interação demora mais, e eu acredito que foi essa percepção que levou ao nosso sucesso”, declara ela.

De acordo com Gay, o teste oferece uma explicação para o estabelecimento de um excesso quiral – pelo menos em princípio. A pesquisa foi publicada no periódico Physical Review Letters, em 12 de setembro.

A ideia de que elétrons de spin polarizado poderiam transmitir sua assimetria para moléculas orgânicas é atraente, explica Uwe Meierhenrich, químico analista da Universidade de Nice Sophia Antipolis, na França.

O minúsculo efeito que Gay e Dreiling observaram teria que ser amplificado para afetar a química da vida como um todo – mas existem mecanismos conhecidos para essas amplificações, comenta ele. “Do meu ponto de vista, a pergunta principal não diz respeito a processos de amplificação, mas à primeira quebra de simetria quiral”.

Meierhenrich declara que gostaria de ver o experimento repetido com moléculas quirais relevantes para a origem da vida, como aminoácidos, para verificar se os elétrons canhotos produzem o mesmo efeito.

Causa Primordial

Mesmo que elétrons de spin polarizado tenham feito com que a vida se tornasse seletiva do ponto de vista quiral, ainda não está claro o que teria produzido os elétrons em questão. Fontes de partículas β incluem o decaimento de fósforo-32 em enxofre-32, ou o decaimento de múons, partículas elementares produzidas ao final de uma cadeia de decaimentos que começa quando partículas de raios cósmicos atingem a atmosfera. Em ambos os casos, os elétrons estariam viajando muito mais rápido que na reação de Gay, mas ele declara que é possível que elétrons desacelerem sem perder sua quiralidade.  

Elétrons canhotos que se movem mais lentamente são produzidos de outras maneiras além de decaimento β, aponta Richard Rosenberg, químico do Laboratório Nacional Argonne, em Illinois. Em 2008, ele e sua equipe mostraram que irradiar com raios-X uma camada de ferro magnetizado também poderia produzir uma quiralidade preferencial. A quiralidade também poderia, portanto, ter sido criada em moléculas presas a partículas magnetizadas em uma nuvem de poeira ou cometa, explica ele.

Gay e seus colegas planejam observar reações semelhantes com outras variedades de moléculas de cânfora para compreender como o spin de um elétron dita qual das duas moléculas quirais ele prefere.

A interação de elétrons canhotos com moléculas orgânicas não é a única explicação possível para a assimetria quiral da vida. Meierhenrich defende uma alternativa – a luz circularmente polarizada que é produzida pelo espalhamento de luz na atmosfera e em estrelas de nêutrons. Em 2011, Meierhenrich e seus colegas mostraram que essa luz poderia transmitir sua lateralidade para aminoácidos.

Mas mesmo a demonstração de como um fenômeno físico comum poderia ter favorecido aminoácidos canhotos em detrimento de destros não nos diria que a vida evoluiu dessa forma, adiciona Laurene Barron, químico da University of Glasgow, no Reino Unido. “Não existem certezas. Talvez não possamos descobrir”.

 

Este artigo foi reproduzido com permissão e publicado pela primeira vez em 25 de setembro de 2014.