Los investigadores han desarrollado una nueva forma de monitorear reacciones químicas en líquidos, arrojando luz sobre reacciones que involucran moléculas como la urea que pueden haber contribuido al surgimiento de la vida en la Tierra. Esta tecnología implica un dispositivo especial que produce un diminuto chorro de líquido y espectroscopía de rayos X, lo que permite a los científicos estudiar reacciones que ocurren en meros femtosegundos.
Científicos de ETH Zurich y la Universidad de Ginebra han desarrollado una nueva técnica que les permite monitorear las reacciones químicas que ocurren en líquidos con una resolución temporal extremadamente alta. Esta innovación les permite rastrear cómo cambian las moléculas del interior en meros femtosegundos; en otras palabras, en unas pocas milmillonésimas de segundo.
Este avance se basa en investigaciones anteriores realizadas por el mismo equipo dirigido por Hans-Jacob Werner, profesor de química física en ETH Zurich. Este trabajo arrojó resultados similares para reacciones que ocurren en ambientes gaseosos.
Para ampliar las observaciones de espectroscopia de rayos X a los líquidos, los investigadores tuvieron que diseñar un dispositivo capaz de producir un chorro de líquido de menos de un micrómetro de diámetro en el vacío. Esto era necesario porque si el flujo fuera más amplio, absorbería parte de los rayos X utilizados para medirlo.
Pionero molecular en bioquímica
Utilizando el nuevo método, los investigadores pudieron conocer mejor los procesos que llevaron al surgimiento de la vida en la Tierra. Muchos estudiosos plantean la hipótesis de que la urea jugó un papel fundamental en este caso. Es una de las moléculas más simples que contiene carbono y nitrógeno.
Además, es muy probable que la urea existiera incluso cuando la Tierra era muy joven, como también lo sugirió un famoso experimento realizado en los años 1950: el científico estadounidense Stanley Miller preparó una mezcla de aquellos gases que creía que formaban los elementos primitivos de la el planeta. atmósfera y exponiéndola a condiciones de tormenta. Esto produjo una serie de moléculas, una de las cuales fue la urea.
Según las teorías actuales, la urea podría haberse enriquecido en charcos cálidos, comúnmente llamados sopa primordial, en la entonces Tierra sin vida. A medida que el agua de esta sopa se evaporaba, aumentaba la concentración de urea. A través de la exposición a radiaciones ionizantes como los rayos cósmicos, esta urea concentrada puede haber producido malónico. agrio a través de múltiples pasos de montaje. Esto, a su vez, puede haber creado los cimientos para ARN Y ADN.
¿Por qué exactamente ocurrió esta reacción?
Utilizando su nuevo método, investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Ginebra investigaron el primer paso de esta larga cadena de reacciones químicas para ver cómo se comporta una solución concentrada de urea cuando se expone a radiación ionizante.
Es importante saber que las moléculas de urea en la solución de urea concentrada se agrupan en pares, o lo que se conoce como dímeros. Los investigadores ahora han podido demostrar que la radiación ionizante produce hidrógeno. maíz Dentro de cada uno de estos dímeros se pasa de una molécula de urea a otra. Esto convierte una molécula de urea en una molécula de urea protonada y la otra en un radical de urea. Este último es químicamente muy reactivo; de hecho, tan reactivo que es muy probable que reaccione con otras moléculas, formando así también ácido malónico.
Los investigadores también pudieron demostrar que esta transferencia de un átomo de hidrógeno se produce muy rápidamente, tardando sólo unos 150 femtosegundos, o 150 cuatrillones de segundo. «Es tan rápido que esta reacción se adelanta a todas las demás reacciones que, en teoría, también podrían ocurrir», dice Woerner. «Esto explica por qué las soluciones concentradas de urea producen radicales de urea en lugar de albergar otras reacciones que producirían otras moléculas».
Las interacciones en líquidos son de gran importancia.
En el futuro, Woerner y sus colegas quieren estudiar los siguientes pasos que conducen a la formación de ácido malónico. Esperan que esto les ayude a comprender los orígenes de la vida en la Tierra.
En cuanto a su nuevo método, también se puede utilizar de forma más general para investigar la secuencia exacta de reacciones químicas en líquidos. «En los fluidos tienen lugar toda una serie de reacciones químicas importantes, no sólo todos los procesos bioquímicos del cuerpo humano, sino también muchas combinaciones químicas relevantes para la industria», afirma Woerner. «Por eso es tan importante que ahora extendamos la espectroscopia de rayos X de alta resolución temporal a las interacciones en líquidos».
Referencia: “Transporte de protones de femtosegundo en soluciones de urea examinadas mediante espectroscopia de rayos X” por Zhong Yin, Yi-Ping Zhang, Tadas Palciunas, Yashuj Shakya, Alexa Djurovic, Jeffrey Joler, Giuseppe Fazio, Ruben Santra, Ludger Anhister, Jan Pierre Wolff y Hans Jacob Werner, 28 de junio de 2023, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06182-6
En este trabajo, investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Ginebra contaron con la ayuda de colegas de Deutsches Elektronen-Synchrotron. desi en Hamburgo, que realizó los cálculos necesarios para interpretar los datos de medición.