Fisikawan melacak reaksi biokimia di 'kolam kecil hangat' Darwin – Physics World

Fisikawan melacak reaksi biokimia di 'kolam kecil hangat' Darwin – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 7 Agustus 2023 12:00
Node Sumber: 2811185

Dua molekul urea tetangga dalam larutan berair bertukar proton
Dua molekul urea tetangga dalam larutan berair bertukar proton. (Sumber: DESY, Ludger Inhester)

Ketika kehidupan pertama kali muncul di Bumi empat miliar tahun yang lalu, ia mungkin bermula dari apa yang disebut oleh naturalis abad ke-19 Charles Darwin sebagai "kolam kecil yang hangat": kolam yang dipanaskan secara vulkanik yang berisi sup dari molekul organik yang awalnya tidak bernyawa. Dalam sebuah penelitian baru-baru ini, para peneliti di Swiss dan Jerman menjelaskan lebih lanjut tentang topik ini dengan memeriksa bagaimana satu molekul seperti itu, urea, merespons gelombang radiasi pengion. Hasil kerja mereka, yang menggunakan spektroskopi serapan sinar-X ultra cepat untuk mengikuti reaksi kimia secara real time, dapat memajukan pemahaman kita tentang asal biokimia kehidupan.

Ketika urea terkena radiasi pengion, itu membentuk asam malonat. Asam ini kemudian bereaksi dengan urea yang tidak terionisasi untuk membentuk beberapa nukleobase, yang merupakan komponen dasar RNA dan DNA. Proses seperti itu bisa saja terjadi ketika "kolam kecil yang hangat" terkena radiasi ultraviolet Matahari dan mungkin berperan dalam munculnya bentuk kehidupan awal.

Dua pulsa

Dalam percobaan mereka, para peneliti dipimpin oleh Jean Pierre Wolf dari University of Geneva dan Hans Jakob Worner at ETH Zurich, Swiss, menerapkan pulsa laser ke larutan urea yang sangat pekat, menyebabkan beberapa molekul urea kehilangan elektron dan menjadi terionisasi. Segera setelah itu, mereka mengirimkan sinar ultra-pendek dari sinar-X lembut. Denyut kedua ini mengungkapkan bagaimana molekul urea merespons hilangnya elektron.

Para peneliti mengulangi percobaan beberapa kali, memvariasikan interval waktu antara pulsa laser pengion dan pulsa soft-X-ray. Teknik ini, yang dikenal sebagai spektroskopi serapan sinar-X (XAS) yang diselesaikan dengan waktu, secara rutin digunakan dalam rezim optik untuk mempelajari partikel tertentu dalam material, tetapi pekerjaan ini memperluasnya ke bagian sinar-X dari spektrum elektromagnetik.

“Kami juga ingin menciptakan kembali kondisi eksperimental sedekat mungkin dengan 'dunia nyata' dan karenanya perlu melakukan pengukuran kami dalam fase cair,” jelas penulis utama studi tersebut. Zhong Yin, mantan anggota tim ETH Zurich yang sekarang berada di Tohoku University di Jepang. “Untuk ini, kami mengembangkan lembaran datar cair dengan ketebalan sub-mikron, yang diperlukan untuk XAS bebas artefak karena panjang atenuasi sistem yang sangat singkat.”

Unsur kunci lain dalam percobaan, Yin menambahkan, adalah bahwa sumber cahaya mereka dapat memberikan pulsa ultrashort pada rentang energi yang cukup luas untuk menutupi tepi penyerapan karbon dan nitrogen dalam molekul urea. “Ini berarti kami dapat mengidentifikasi bahwa sinyal penyerapan hanya berasal dari urea, karena air cair tidak mengandung karbon dan nitrogen di dalamnya,” katanya. Dunia Fisika.

Resolusi skala femtosecond

Dengan menggunakan teknik ini, tim mampu merekonstruksi rangkaian peristiwa dalam skala beberapa detik femtodetik (10-15 s), artinya para peneliti dapat mengikuti reaksi kimia secara real time dan mengamati bagaimana sistem berkembang. Bahkan dengan teknik baru dan alat yang tepat, itu tidak mudah. “Menafsirkan spektrum terbukti sangat menantang, dan memerlukan simulasi komputer terperinci yang kami kembangkan di sini di DESY selama bertahun-tahun,” jelas Ludger Inhester, fisikawan teoretis di CFEL di DESY di Hamburg.

Para peneliti mengamati bahwa ketika molekul urea terionisasi (yaitu, menjadi positif karena kehilangan elektron), ia mendorong proton (inti hidrogen) ke molekul urea netral yang tidak terionisasi di dekatnya dalam upaya untuk kehilangan ini. muatan positif. “Transfer proton tingkat femtosecond ini menciptakan radikal urea bersama dengan ion urea bermuatan positif,” kata Inhester. "Keduanya reaktif secara kimiawi dan dapat mengarah pada pembentukan molekul RNA - bahan penyusun penting kehidupan awal - miliaran tahun yang lalu."

Eksperimen baru ini adalah yang pertama mengamati proses yang sangat cepat dalam molekul di lingkungan berair, tambahnya. Eksperimen sebelumnya dilakukan dalam fase gas, tetapi mengamati perilaku molekul yang tersuspensi dalam air itu penting, terutama untuk memahami proses biologis.

Anggota tim Hamburg-Jenewa-Zurich sekarang ingin menyelidiki lebih lanjut langkah awal dari dinamika ionisasi. “Eksperimen semacam itu akan membutuhkan resolusi temporal yang lebih tinggi dan akan membutuhkan waktu untuk menyiapkannya,” kata Yin. “Namun, saya yakin bahwa kita akan mengamati sesuatu yang baru dan menarik ketika kita melakukan ini.”

Studi mereka saat ini dirinci dalam Alam.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika