科學家發現，分子可以在沒有外力的情況下以非交互作用的方式相互作用，這項發現可能會改變我們對分子相互作用和生命演化的理解。來自緬因州大學和賓州州立大學的研究人員發現，分子在沒有外力的情況下也能以非互動的方式相互作用。

重力和電磁力等基本力是互動的，即兩個物體相互吸引或相互排斥。然而，在我們的日常經驗中，互動似乎並不遵循這種對等法則。例如，捕食者會被獵物吸引，但獵物往往會逃離掠食者。這種非交互的相互作用對於生物體的複雜行為至關重要。

對於細菌等微觀系統，非交互相互作用的機制一直由流體動力或其他外力來解釋，以前認為類似類型的力可以解釋單分子之間的相互作用。

賓州州立大學的理論物理學家R. Dean Astumian 與合作者Ayusman Sen 和Niladri Sekhar Mandal 在著名的細胞出版社《化學》（Chem）雜誌上發表了一項研究成果。

這種機制引用了反應物和生成物的局部梯度，這是由於每種化學催化劑（生物催化劑的一個例子是酶）都促進了反應。由於催化劑對梯度的反應取決於催化劑的特性，因此有可能出現一種分子被另一種分子排斥但又吸引另一種分子的情況。

關鍵因素：動力學不對稱

作者在討論中意識到，每種催化劑都有一種稱為”動力學不對稱性”的特性，它控制著對濃度梯度的反應方向，這就是”尤里卡時刻”。由於動力學不對稱性是酶本身的特性，它可以發生進化和適應。動力學不對稱性所允許的非對等相互作用在分子之間的相互作用中也起著至關重要的作用，並且可能在簡單物質變得複雜的過程中起著至關重要的作用。

圖示說明了兩個粒子之間可能存在的四種相互作用，箭頭表示該顏色的粒子由於另一種顏色的粒子周圍的梯度而受到的力。左上角和右下角所示的相互作用分別表示兩個粒子相互吸引或相互排斥的相互作用。右上角圖形顯示的是紅色粒子吸引藍色粒子，但藍色粒子排斥紅色粒子的情況。左下方的圖形顯示的是紅色粒子排斥藍色粒子，但藍色粒子被紅色粒子吸引的情況。圖片由R. Dean Astumian 提供。圖片來源：R.

關於非交互相互作用發生時的情況，其他研究人員之前已經做了大量工作。這些工作對”活動物質”領域的發展起了核心作用。在這些早期研究中，非交互相互作用是透過加入特別的力量來引入的。

然而，曼達爾、森和阿斯圖米安的研究描述了單分子之間產生這種相互作用的基本分子機制。在這項研究的基礎上，同一作者也展示了單一催化劑分子如何利用其催化反應產生的能量在濃度梯度中進行定向運動。

對生物分子機器和早期生命的影響

決定不同催化劑之間非交互相互作用的動力學不對稱性也被證明對生物分子機器的方向性非常重要，並已納入合成分子馬達和泵的設計中。

阿斯圖米安、森和曼達爾的合作旨在揭示不同催化劑鬆散聯合背後的組織原理，這些催化劑可能形成了最早的新陳代謝結構，最終導致了生命的進化。

Astumian說：”我們還處於這項工作的起步階段，但我認為理解動力學不對稱性是理解生命如何從簡單分子進化而來的一個可能機會。它不僅能讓我們深入了解物質的複雜化，動力學不對稱也可用於分子機器和相關技術的設計”。

參考文獻Niladri Sekhar Mandal、Ayusman Sen 和R. Dean Astumian 的”相互作用的活性催化劑之間非互惠相互作用的分子起源”，2023 年12 月29 日，Chem.

DOI: 10.1016/j.chempr.2023.11.017

編譯來源：ScitechDaily