I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo per monitorare le reazioni chimiche nei liquidi, facendo luce sulle reazioni che coinvolgono molecole come l’urea che potrebbero aver contribuito alla comparsa della vita sulla Terra. Questa tecnologia prevede un dispositivo speciale che produce un minuscolo getto liquido e una spettroscopia a raggi X, consentendo agli scienziati di studiare reazioni che si verificano in pochi femtosecondi.
Gli scienziati dell’ETH di Zurigo e dell’Università di Ginevra hanno sviluppato una nuova tecnica che consente loro di monitorare le reazioni chimiche che si verificano nei liquidi con una risoluzione temporale estremamente elevata. Questa innovazione consente loro di monitorare come cambiano le molecole all’interno in semplici femtosecondi – in altre parole, entro pochi quadrilionesimi di secondo.
Questa svolta si basa su ricerche precedenti dello stesso team guidato da Hans-Jacob Werner, professore di chimica fisica all’ETH di Zurigo. Questo lavoro ha prodotto risultati simili alle reazioni che si verificano in ambienti gassosi.
Per estendere le osservazioni della spettroscopia a raggi X ai liquidi, i ricercatori hanno dovuto progettare un dispositivo in grado di produrre un getto liquido di diametro inferiore a un micrometro nel vuoto. Ciò era necessario perché se il flusso fosse stato più ampio, avrebbe assorbito parte dei raggi X utilizzati per misurarlo.
Pioniere molecolare della biochimica
Utilizzando il nuovo metodo, i ricercatori sono riusciti a comprendere meglio i processi che hanno portato alla comparsa della vita sulla Terra. Molti studiosi ipotizzano che in questo caso l’urea abbia avuto un ruolo fondamentale. È una delle molecole più semplici che contiene carbonio e azoto.
Inoltre, è molto probabile che l’urea esistesse anche quando la Terra era molto giovane, come suggerito anche da un famoso esperimento effettuato negli anni ’50: lo scienziato americano Stanley Miller preparò una miscela di quei gas che secondo lui costituivano gli elementi primitivi della Terra. il pianeta. L’atmosfera e la sua esposizione alle condizioni temporalesche. Ciò ha prodotto una serie di molecole, una delle quali era l’urea.
Secondo le teorie attuali, l’urea potrebbe essersi arricchita in pozze calde – comunemente chiamate zuppa primordiale – sulla Terra allora senza vita. Man mano che l’acqua nella zuppa evaporava, la concentrazione di urea aumentava. Attraverso l’esposizione a radiazioni ionizzanti come i raggi cosmici, questa urea concentrata potrebbe aver prodotto malonico acido Attraverso molteplici passaggi sintetici. Questo a sua volta potrebbe aver creato gli elementi costitutivi per RNA E DNA.
Perché esattamente è avvenuta questa reazione?
Utilizzando il loro nuovo metodo, i ricercatori dell’ETH di Zurigo e dell’Università di Ginevra hanno studiato la prima fase di questa lunga catena di reazioni chimiche per vedere come si comporta una soluzione concentrata di urea quando esposta a radiazioni ionizzanti.
È importante sapere che le molecole di urea presenti in una soluzione concentrata di urea sono raggruppate in coppie, chiamate dimeri. E ora i ricercatori sono anche riusciti a dimostrare che le radiazioni ionizzanti provocano l’idrogeno mais All’interno di ciascuno di questi dimeri si passa da una molecola di urea all’altra. Questo converte una molecola di urea in una molecola di urea protonata e l’altra in un radicale di urea. Quest’ultimo è molto reattivo chimicamente – così reattivo, infatti, che probabilmente reagirà con altre molecole, formando così anche acido malonico.
I ricercatori sono stati anche in grado di dimostrare che questo trasferimento di un atomo di idrogeno avviene molto rapidamente, impiegando solo circa 150 femtosecondi, o 150 quadrilionesimi di secondo. “È così veloce che questa reazione anticipa tutte le altre reazioni che potrebbero teoricamente verificarsi”, afferma Forner. “Questo spiega perché le soluzioni concentrate di urea producono radicali urea piuttosto che ospitare altre reazioni che produrrebbero altre molecole.”
Le interazioni nei liquidi sono di grande importanza
In futuro, Woerner e colleghi vogliono studiare i prossimi passi che portano alla formazione dell’acido malonico. Sperano che questo li aiuterà a comprendere le origini della vita sulla Terra.
Per quanto riguarda il loro nuovo metodo, può essere utilizzato anche più in generale per studiare l’esatta sequenza delle reazioni chimiche nei liquidi. “Nei fluidi avviene tutta una serie di importanti reazioni chimiche, non solo tutti i processi biochimici nel corpo umano, ma molte combinazioni chimiche rilevanti per l’industria”, afferma Woerner. “Ecco perché è così importante estendere ora la spettroscopia a raggi X ad alta risoluzione temporale alle interazioni nei liquidi.”
Riferimento: “Femtosecond Proton Transport in Urea Solutions Examined by X-ray Spectroscopy” di Zhong Yin, Yi-Ping Zhang, Tadas Palciunas, Yashuj Shakya, Alexa Djurovic, Jeffrey Joler, Giuseppe Fazio, Ruben Santra, Ludger Anhister, Jan Pierre Wolf e Hans-Jakob Werner, 28 giugno 2023, disponibile qui. natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06182-6
I ricercatori dell’ETH di Zurigo e dell’Università di Ginevra sono stati assistiti in questo lavoro da colleghi del Deutsches Elektronen-Synchrotron. desi ad Amburgo, che ha eseguito i calcoli necessari per interpretare i dati di misurazione.
