Les biomolécules telles que les acides aminés et les sucres se présentent sous deux formes en miroir; cependant, dans tous les organismes vivants, on n’en trouve qu’une seule. La raison pour laquelle il en est ainsi n’est toujours pas claire. Des chercheurs de l'Empa et du Forschungszentrum Jülich en Allemagne ont découvert que l'interaction entre les champs électriques et magnétiques pourrait être à l'origine de ce phénomène.
La soi-disant homochiralité de la vie – le fait que toutes les biomolécules des organismes vivants n’apparaissent que sous l’une des deux formes d’image miroir – a intrigué un certain nombre de sommités scientifiques, depuis le découvreur de la chiralité moléculaire, Louis Pasteur, jusqu’à William Thomson ( Lord Kelvin) et le prix Nobel Pierre Curie.
Une explication concluante fait encore défaut, car les deux formes ont par exemple la même stabilité chimique et ne diffèrent pas l’une de l’autre par leurs propriétés physico-chimiques. L'hypothèse, cependant, selon laquelle l'interaction entre les champs électriques et magnétiques pourrait expliquer la préférence pour l'une ou l'autre forme d'image miroir d'une molécule – appelées énantiomères – a émergé très tôt.
Mais ce n'est qu'il y a quelques années que la première preuve indirecte est apparue que les différentes combinaisons de ces champs de force peuvent effectivement « distinguer » les deux images miroir d'une molécule. Ceci a été réalisé en étudiant l'interaction de molécules chirales avec des surfaces métalliques qui présentent un fort champ électrique sur de courtes distances.
Les surfaces des métaux magnétiques comme le fer, le cobalt ou le nickel permettent ainsi de combiner les champs électriques et magnétiques de diverses manières :le sens de l'aimantation est simplement inversé, de « Nord en haut – Sud en bas » à « Sud en haut – Nord en bas ».
Si l'interaction entre le magnétisme et les champs électriques déclenche réellement des effets « énantiosélectifs », alors la force de l'interaction entre les molécules chirales et les surfaces magnétiques devrait également différer, par exemple, selon qu'une molécule droite ou gauche « se dépose » sur la surface.
Et c'est effectivement le cas, comme l'a rapporté dans la revue Advanced Materials
L’équipe a recouvert une surface de cuivre (non magnétique) de petits « îlots » ultra-minces de cobalt magnétique et a déterminé la direction du champ magnétique dans ceux-ci à l’aide de la microscopie à effet tunnel à balayage polarisé; comme mentionné précédemment, cela peut s'étendre dans deux directions différentes perpendiculaires à la surface métallique :nord vers le haut ou sud vers le haut. Ils ont ensuite déposé des molécules chirales en forme de spirale (un mélange 1:1 de molécules d'heptahélicène gauche et droite) sur ces îlots de cobalt sous ultravide.
Ensuite, ils ont "simplement" compté le nombre de molécules d'hélicène droites et gauches sur les îlots de cobalt différemment magnétisés, soit près de 800 molécules au total, toujours en utilisant la microscopie à effet tunnel. Et voilà :en fonction de la direction du champ magnétique, l'une ou l'autre forme des spirales hélicènes s'était installée préférentiellement.
De plus, les expériences ont montré que la sélection – la préférence pour l'un ou l'autre énantiomère – ne se produit pas seulement lors de la liaison sur les îlots de cobalt, mais déjà avant.
Avant que les molécules n'atteignent leur position finale (préférée) sur l'un des îlots de cobalt, elles migrent sur de longues distances à travers la surface du cuivre dans un état précurseur lié nettement plus faible, à la « recherche » d'une position idéale. Ils ne sont liés à la surface que par les forces dites de Van der Waals. Celles-ci sont simplement provoquées par des fluctuations de la couche électronique des atomes et des molécules et sont donc relativement faibles. Le fait que même ceux-ci soient influencés par le magnétisme, c'est-à-dire le sens de rotation (spin) des électrons, n'était pas connu jusqu'à présent.
Grâce à la microscopie à effet tunnel, les chercheurs ont également pu résoudre un autre mystère, comme ils l'ont rapporté dans la revue Small. en novembre 2023. Transport d’électrons, c’est-à-dire courant électrique – dépend également de la combinaison de la manipulation moléculaire et de la magnétisation de la surface.
En fonction de la nature de la molécule liée, les électrons avec une direction de spin circulent préférentiellement – ou « tunnel » – à travers la molécule, ce qui signifie que les électrons avec le « mauvais » spin sont filtrés. Cette sélectivité de spin induite par la chiralité avait déjà été observée dans des études antérieures, mais il restait difficile de savoir si un ensemble de molécules était nécessaire pour cela ou si des molécules individuelles présentaient également cet effet.
Ernst et ses collègues ont désormais pu montrer que certaines molécules d'hélicène présentent également l'effet CISS. "Mais la physique derrière tout cela n'est toujours pas comprise", admet Ernst.
Le chercheur de l'Empa estime également que ses découvertes ne pourront finalement pas répondre pleinement à la question de la chiralité de la vie. En d'autres termes, la question que le prix Nobel de chimie et chimiste de l'ETH Vladimir Prelog a décrit comme "l'un des premiers problèmes de la théologie moléculaire" lors de sa conférence pour le prix Nobel en 1975.
Mais Ernst peut imaginer que dans certaines réactions chimiques catalysées en surface – comme celles qui auraient pu se produire dans la « soupe primordiale » chimique de la Terre primitive – une certaine combinaison de champs électriques et magnétiques aurait pu conduire à une accumulation constante d'un champ magnétique. forme ou une autre des diverses biomolécules - et donc finalement à la gratuité de la vie.
Plus d'informations : Mohammad Reza Safari et al, Adsorption énantiosélective sur surfaces magnétiques, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202308666
Fourni par les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux
