El espín nuclear afecta los procesos biológicos que involucran oxígeno

Investigadores israelíes han observado por primera vez el efecto que tienen los espines nucleares sobre determinados procesos biológicos. El equipo dirigido por Yossi Paltiel de la Universidad Hebrea de Jerusalén realizó dos experimentos que mostraron cómo las interacciones entre los isótopos de oxígeno y las biomoléculas quirales dependen del espín nuclear de los isótopos.

Muchos procesos en el mundo natural se ven afectados por el giro de los electrones, incluida la fotosíntesis y la capacidad de algunos animales de sentir el campo magnético de la Tierra. Sin embargo, hasta hace poco se suponía que los espines de los núcleos no influyen en los procesos biológicos.

Ahora, el equipo de Paltiel ha descubierto que el espín nuclear puede afectar la forma en que los diferentes isótopos de oxígeno interactúan con las biomoléculas quirales.

"Nuestra investigación investiga la regla de la quiralidad en la vida", explica Paltiel. "Actualmente estamos investigando el efecto de la 'selectividad de espín inducida quiral' (CISS), que establece un vínculo entre el espín electrónico y la quiralidad".

La quiralidad es una propiedad asimétrica de un objeto que no se puede mapear en su imagen especular mediante rotaciones y traslaciones. Un ejemplo familiar es la mano humana. De hecho, quiral se deriva de la palabra griega que significa mano y se hace referencia a los objetos quirales como diestros o zurdos.

Muchas biomoléculas importantes pueden existir en versiones diestras y zurdas, pero una quiralidad tiende a dominar en la naturaleza. CISS significa que los electrones con espines en una determinada dirección (por ejemplo, hacia arriba) interactuarán con una molécula quiral de una manera diferente que los electrones con espines en la dirección opuesta (abajo).

Ahora, Paltiel y sus colegas han demostrado que los espines nucleares también son relevantes para la CISS. Los investigadores realizaron dos experimentos con tres isótopos estables de oxígeno. Estos son el oxígeno-16 y el oxígeno-18, que tienen espín nuclear cero, y el oxígeno-17, que tiene un espín nuclear de 5/2.

Su primer experimento involucró la electrólisis del agua: un proceso vital en la fotosíntesis. Aquí, el equipo generó una corriente de electrones selectiva de espín utilizando el efecto CISS. Esto se hizo recubriendo el ánodo con una capa de moléculas con quiralidad uniforme. El ánodo es donde se producen las moléculas de oxígeno mediante electrólisis y se sabe que esta producción aumenta cuando se utiliza una corriente de electrones selectiva de espín.

El agua utilizada en el experimento contenía los tres isótopos de oxígeno y los investigadores analizaron la composición isotópica del oxígeno que se produjo para ver si se veía afectado por el espín nuclear. Descubrieron que se producían significativamente menos moléculas de oxígeno que contenían oxígeno-17 cuando se usaba el recubrimiento quiral que cuando se usaba un ánodo desnudo. Esto, según el equipo, demuestra que la CISS también puede implicar espines nucleares.

En el segundo experimento, el equipo de Paltiel observó el transporte de agua a través de las membranas de células humanas vivas. Dentro de una membrana celular, el agua se transfiere a través de proteínas especiales llamadas acuaporinas, que impiden que otros iones o solutos pasen con el agua.

Las moléculas responsables de esta selectividad son quirales y, por lo tanto, ofrecen una forma de probar si CISS está involucrado en el proceso de transporte de agua. Los investigadores observaron cómo las moléculas de agua que contienen oxígeno-17 y oxígeno-18 se transportan a través de las acuaporinas. Descubrieron que había una clara preferencia por el transporte de un isótopo sobre el otro, lo que demuestra nuevamente que CISS participa en el transporte de agua a través de células humanas.

La quiralidad afecta el flujo de corriente en los transistores de grafeno

"Nuestra investigación demuestra que el espín nuclear desempeña un papel crucial en los procesos biológicos, lo que sugiere que su manipulación podría conducir a aplicaciones innovadoras en biotecnología y biología cuántica", afirma Paltiel. "Esto podría potencialmente revolucionar los procesos de fraccionamiento isotópico y desbloquear nuevas posibilidades en campos como la RMN [resonancia magnética nuclear]".

La RMN implica sondear los espines nucleares de un material utilizando campos magnéticos externos, pero hasta ahora, los isótopos magnéticos en sistemas biológicos adecuados para la técnica distintos del hidrógeno han sido extremadamente raros y difíciles de purificar. El descubrimiento del equipo presenta un posible método para enriquecer el isótopo magnético oxígeno-17 en sistemas biológicos, que luego podría detectarse mediante RMN.

Los investigadores creen que sus experimentos sólo tocan la superficie de los efectos de la CISS y el espín nuclear. Esperan que una mayor exploración de los espines nucleares en biología pueda conducir a aplicaciones interesantes.

La investigación se describe en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.