Lo spin nucleare influenza i processi biologici che coinvolgono l'ossigeno

L'effetto che gli spin nucleari hanno su alcuni processi biologici è stato osservato per la prima volta da ricercatori israeliani. Il team guidato da Yossi Paltiel dell'Università Ebraica di Gerusalemme ha eseguito due esperimenti che hanno dimostrato come le interazioni tra gli isotopi dell'ossigeno e le biomolecole chirali dipendano dallo spin nucleare degli isotopi.

Molti processi nel mondo naturale sono influenzati dalla rotazione degli elettroni, inclusa la fotosintesi e la capacità di alcuni animali di percepire il campo magnetico terrestre. Fino a poco tempo fa, tuttavia, si presumeva che gli spin dei nuclei non influissero sui processi biologici.

Ora, il team di Paltiel ha scoperto che lo spin nucleare può influenzare il modo in cui diversi isotopi di ossigeno interagiscono con le biomomecole chirali.

"La nostra ricerca indaga la regola della chiralità nella vita", spiega Paltiel. “Stiamo attualmente studiando l’effetto della “selettività dello spin indotto chirale” (CISS), che stabilisce un collegamento tra spin elettronico e chiralità”.

La chiralità è una proprietà asimmetrica posseduta da un oggetto che non può essere mappato sulla sua immagine speculare utilizzando rotazioni e traslazioni. Un esempio familiare è la mano umana. Infatti, chirale deriva dalla parola greca che significa mano e gli oggetti chirali vengono indicati come destrorsi o mancini.

Molte biomolecole importanti possono esistere nelle versioni destrorse e mancine, ma una chiralità tende a dominare in natura. CISS significa che gli elettroni con spin in una certa direzione (diciamo verso l'alto) interagiranno con una molecola chirale in modo diverso rispetto agli elettroni con spin nella direzione opposta (verso il basso).

Ora, Paltiel e colleghi hanno dimostrato che gli spin nucleari sono rilevanti anche per la CISS. I ricercatori hanno organizzato due esperimenti che coinvolgono tre isotopi stabili dell'ossigeno. Questi sono l'ossigeno-16 e l'ossigeno-18, che hanno entrambi spin nucleare pari a zero, e l'ossigeno-17, che ha uno spin nucleare di 5/2.

Il loro primo esperimento riguardava l'elettrolisi dell'acqua: un processo vitale nella fotosintesi. Qui, il team ha generato una corrente di elettroni con spin selettivo utilizzando l’effetto CISS. Ciò è stato fatto rivestendo l'anodo con uno strato di molecole con chiralità uniforme. L'anodo è il luogo in cui le molecole di ossigeno vengono prodotte mediante elettrolisi ed è noto che questa produzione viene migliorata quando viene utilizzata una corrente di elettroni selettiva per lo spin.

L'acqua utilizzata nell'esperimento conteneva i tre isotopi dell'ossigeno e i ricercatori hanno analizzato la composizione isotopica dell'ossigeno prodotto per vedere se questo era influenzato dallo spin nucleare. Hanno scoperto che quando veniva utilizzato il rivestimento chirale venivano prodotte significativamente meno molecole di ossigeno contenenti ossigeno-17 rispetto a quando veniva utilizzato un anodo nudo. Questo, dice il team, dimostra che il CISS può anche coinvolgere spin nucleari.

Nel secondo esperimento, il team di Paltiel ha esaminato il trasporto dell'acqua attraverso le membrane delle cellule umane viventi. All'interno della membrana cellulare, l'acqua viene trasferita attraverso speciali proteine ​​chiamate acquaporine, che impediscono ad altri ioni o soluti di passare insieme all'acqua.

Le molecole responsabili di questa selettività sono chirali e quindi offrono un modo per testare se il CISS è coinvolto nel processo di trasporto dell'acqua. I ricercatori hanno esaminato il modo in cui le molecole d'acqua contenenti ossigeno-17 e ossigeno-18 vengono trasportate attraverso le acquaporine. Hanno scoperto che c'era una chiara preferenza per il trasporto di un isotopo rispetto all'altro, dimostrando ancora una volta che il CISS è coinvolto nel trasporto dell'acqua attraverso le cellule umane.

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“La nostra ricerca dimostra che lo spin nucleare svolge un ruolo cruciale nei processi biologici, suggerendo che la sua manipolazione potrebbe portare ad applicazioni rivoluzionarie nella biotecnologia e nella biologia quantistica”, afferma Paltiel. “Ciò potrebbe potenzialmente rivoluzionare i processi di frazionamento isotopico e sbloccare nuove possibilità in campi come l’NMR [risonanza magnetica nucleare]”.

L’NMR prevede l’indagine degli spin nucleari in un materiale utilizzando campi magnetici esterni – ma finora gli isotopi magnetici nei sistemi biologici adatti alla tecnica diversi dall’idrogeno sono stati estremamente rari e difficili da purificare. La scoperta del team presenta un possibile metodo per arricchire l'isotopo magnetico dell'ossigeno-17 nei sistemi biologici, che potrebbe poi essere rilevato utilizzando la NMR.