Imágenes instantáneas de la distribución de carga en la fenilalanina. La densidad de carga puede tomar valores positivos (de color amarillo) o negativos (de color púrpura). Fuente: UAM Gazette.
Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han logrado por primera vez inducir y medir la migración ultrarrápida (attosegundos, trillonésima parte de un segundo) de carga en una molécula compleja, el aminoácido fenilalanina. Este fenómeno precede cualquier reordenamiento estructural de las moléculas y es la base de un gran número de procesos biológicos.
La migración de carga fue inducida por un pulso de luz extremadamente corto, de duración de attosegundos, y fue detectada iluminando la molécula con un segundo pulso de luz, pocos attosegundos después. En un segundo caben tantos attosegundos como segundos caben en 100.000 millones de años.
De acuerdo con los resultados presentados, en los que también colaboraron investigadores de Italia y Reino Unido, la migración de la carga desde un extremo a otro de la molécula de fenilalanina tardó entre tres y cuatro femtosegundos (un femtosegundo equivale a mil attosegundos).
“Las simulaciones numéricas que hemos llevado a cabo nos han permitido identificar, de manera inequívoca, que las rápidas variaciones de carga observadas se deben única y exclusivamente al movimiento ondulatorio de los electrones inducido por el pulso de attosegundos, y no a cambios estructurales como los experimentados por proteínas y otras biomoléculas en diversos procesos biológicos”, declara el director del trabajo, Fernando Martín García, del Departamento de Química de la UAM, en la información de UAM Gazette.
“La capacidad de provocar y observar la dinámica puramente electrónica en una molécula esencial para la vida es un paso crucial para futuras aplicaciones en la ciencia de attosegundos”, señala por su parte la coautora Alicia Palacios Cañas, del mismo Departamento. “Nuestro trabajo", agrega", puede considerarse como una de las primeras contribuciones al campo de la attobiología”.
La migración de carga fue inducida por un pulso de luz extremadamente corto, de duración de attosegundos, y fue detectada iluminando la molécula con un segundo pulso de luz, pocos attosegundos después. En un segundo caben tantos attosegundos como segundos caben en 100.000 millones de años.
De acuerdo con los resultados presentados, en los que también colaboraron investigadores de Italia y Reino Unido, la migración de la carga desde un extremo a otro de la molécula de fenilalanina tardó entre tres y cuatro femtosegundos (un femtosegundo equivale a mil attosegundos).
“Las simulaciones numéricas que hemos llevado a cabo nos han permitido identificar, de manera inequívoca, que las rápidas variaciones de carga observadas se deben única y exclusivamente al movimiento ondulatorio de los electrones inducido por el pulso de attosegundos, y no a cambios estructurales como los experimentados por proteínas y otras biomoléculas en diversos procesos biológicos”, declara el director del trabajo, Fernando Martín García, del Departamento de Química de la UAM, en la información de UAM Gazette.
“La capacidad de provocar y observar la dinámica puramente electrónica en una molécula esencial para la vida es un paso crucial para futuras aplicaciones en la ciencia de attosegundos”, señala por su parte la coautora Alicia Palacios Cañas, del mismo Departamento. “Nuestro trabajo", agrega", puede considerarse como una de las primeras contribuciones al campo de la attobiología”.
Dinámica electrónica ultrarrápida
Los pulsos de femtosegundos han contribuido, y siguen contribuyendo, a la investigación y comprensión de numerosas reacciones, muchas de ellas implicadas en importantes procesos biológicos. Del mismo modo, se espera que la posibilidad de observar la migración de carga a escala de attosegundos facilite la comprensión de los procesos físicos que rigen el transporte de electrones en procesos biológicos.
“Estos avances nos podrán ayudar a comprender, por ejemplo, cómo la redistribución de carga inducida en ADN por una partícula de alta energía inicia un proceso de necrosis celular o mutación”, explican los investigadores de la UAM.
Sin embargo, para que este tipo de estudios pueda desarrollarse con éxito, es necesario realizar simulaciones teóricas que permitan la comprensión de los fenómenos observados, según destacan los mismos investigadores. “Para que tales estudios sean viables en moléculas biológicas aún más complejas que la fenilalanina, será necesario realizar experimentos más sofisticados y extender los métodos teóricos existentes para dar cuenta de otros factores, como el papel del movimiento nuclear. En esta dirección trabajamos actualmente a través del proyecto XCHEM, que financia el Consejo Europeo de Investigación”.
La fenilalanina es uno de los diez aminoácidos esenciales para el ser humano y, como tal, es un bloque constituyente de las proteínas, como la tirosina, la dopamina, la noradrenalina o la melanina. La fenilalanina se encuentra de forma natural en la leche materna, al igual que en alimentos ricos en proteínas, tales como carnes rojas, pescado, huevos, productos lácteos, garbanzos y lentejas.
Los pulsos de femtosegundos han contribuido, y siguen contribuyendo, a la investigación y comprensión de numerosas reacciones, muchas de ellas implicadas en importantes procesos biológicos. Del mismo modo, se espera que la posibilidad de observar la migración de carga a escala de attosegundos facilite la comprensión de los procesos físicos que rigen el transporte de electrones en procesos biológicos.
“Estos avances nos podrán ayudar a comprender, por ejemplo, cómo la redistribución de carga inducida en ADN por una partícula de alta energía inicia un proceso de necrosis celular o mutación”, explican los investigadores de la UAM.
Sin embargo, para que este tipo de estudios pueda desarrollarse con éxito, es necesario realizar simulaciones teóricas que permitan la comprensión de los fenómenos observados, según destacan los mismos investigadores. “Para que tales estudios sean viables en moléculas biológicas aún más complejas que la fenilalanina, será necesario realizar experimentos más sofisticados y extender los métodos teóricos existentes para dar cuenta de otros factores, como el papel del movimiento nuclear. En esta dirección trabajamos actualmente a través del proyecto XCHEM, que financia el Consejo Europeo de Investigación”.
La fenilalanina es uno de los diez aminoácidos esenciales para el ser humano y, como tal, es un bloque constituyente de las proteínas, como la tirosina, la dopamina, la noradrenalina o la melanina. La fenilalanina se encuentra de forma natural en la leche materna, al igual que en alimentos ricos en proteínas, tales como carnes rojas, pescado, huevos, productos lácteos, garbanzos y lentejas.
Referencia bibliográfica:
F. Calegari et al.: Ultrafast electron dynamics in phenylalanine initiated by attosecond pulses. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1254061.
F. Calegari et al.: Ultrafast electron dynamics in phenylalanine initiated by attosecond pulses. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1254061.