O spin nuclear afeta processos biológicos envolvendo oxigênio

O efeito que os spins nucleares têm em certos processos biológicos foi observado pela primeira vez por investigadores em Israel. A equipe liderada por Yossi Paltiel, da Universidade Hebraica de Jerusalém, realizou dois experimentos que mostraram como as interações entre isótopos de oxigênio e biomoléculas quirais dependem do spin nuclear dos isótopos.

Muitos processos no mundo natural são afetados pela rotação dos elétrons – incluindo a fotossíntese e a capacidade de alguns animais de sentir o campo magnético da Terra. Até recentemente, porém, presumia-se que os spins dos núcleos não afetavam os processos biológicos.

Agora, a equipe de Paltiel descobriu que o spin nuclear pode afetar a forma como os diferentes isótopos de oxigênio interagem com as biomoléculas quirais.

“Nossa pesquisa investiga a regra da quiralidade na vida”, explica Paltiel. “Atualmente estamos investigando o efeito da ‘seletividade de spin induzida quiral’ (CISS), que estabelece uma ligação entre spin eletrônico e quiralidade.”

Quiralidade é uma propriedade assimétrica mantida por um objeto que não pode ser mapeada em sua imagem espelhada usando rotações e translações. Um exemplo familiar é a mão humana. Na verdade, quiral é derivado da palavra grega para mão e os objetos quirais são chamados de destros ou canhotos.

Muitas biomoléculas importantes podem existir em versões destras e canhotas, mas uma quiralidade tende a dominar na natureza. CISS significa que elétrons com spins em uma determinada direção (digamos, para cima) interagirão com uma molécula quiral de maneira diferente dos elétrons com spins na direção oposta (para baixo).

Agora, Paltiel e colegas mostraram que os spins nucleares também são relevantes para o CISS. Os pesquisadores montaram dois experimentos envolvendo três isótopos estáveis ​​de oxigênio. Estes são o oxigênio-16 e o ​​oxigênio-18, ambos com spin nuclear zero, e o oxigênio-17, que tem um spin nuclear de 5/2.

Seu primeiro experimento envolveu a eletrólise da água: um processo vital na fotossíntese. Aqui, a equipe gerou uma corrente eletrônica seletiva de spin usando o efeito CISS. Isto foi feito revestindo o ânodo com uma camada de moléculas com quiralidade uniforme. O ânodo é onde as moléculas de oxigênio são produzidas por eletrólise e sabe-se que essa produção é aumentada quando uma corrente de elétrons seletiva de spin é usada.

A água utilizada na experiência continha os três isótopos de oxigénio e os investigadores analisaram a composição isotópica do oxigénio produzido para ver se este era afetado pelo spin nuclear. Eles descobriram que significativamente menos moléculas de oxigênio contendo oxigênio-17 foram produzidas quando o revestimento quiral foi usado do que quando um ânodo nu foi usado. Isto, diz a equipe, mostra que o CISS também pode envolver spins nucleares.

No segundo experimento, a equipe de Paltiel analisou o transporte de água através das membranas de células humanas vivas. Dentro da membrana celular, a água é transferida através de proteínas especiais chamadas aquaporinas, que impedem que outros íons ou solutos passem junto com a água.

As moléculas responsáveis ​​por esta seletividade são quirais e, portanto, oferecem uma forma de testar se o CISS está envolvido no processo de transporte de água. Os pesquisadores observaram como as moléculas de água contendo oxigênio-17 e oxigênio-18 são transportadas através das aquaporinas. Eles descobriram que havia uma clara preferência pelo transporte de um isótopo em detrimento do outro, mostrando mais uma vez que o CISS está envolvido no transporte de água através das células humanas.

A quiralidade afeta o fluxo de corrente em transistores de grafeno

“Nossa pesquisa demonstra que o spin nuclear desempenha um papel crucial nos processos biológicos, sugerindo que sua manipulação pode levar a aplicações inovadoras em biotecnologia e biologia quântica”, diz Paltiel. “Isso poderia revolucionar potencialmente os processos de fracionamento isotópico e desbloquear novas possibilidades em campos como NMR [ressonância magnética nuclear].”

A RMN envolve a sondagem dos spins nucleares num material utilizando campos magnéticos externos – mas até agora, os isótopos magnéticos em sistemas biológicos adequados para a técnica que não o hidrogénio têm sido extremamente raros e difíceis de purificar. A descoberta da equipe apresenta um possível método para enriquecer o isótopo magnético oxigênio-17 em sistemas biológicos – que poderia então ser detectado por RMN.