Le spin nucléaire affecte les processus biologiques impliquant l’oxygène

L’effet des spins nucléaires sur certains processus biologiques a été observé pour la première fois par des chercheurs israéliens. L'équipe dirigée par Yossi Paltiel de l'Université hébraïque de Jérusalem a réalisé deux expériences qui ont montré comment les interactions entre les isotopes de l'oxygène et les biomolécules chirales dépendent du spin nucléaire des isotopes.

De nombreux processus dans le monde naturel sont affectés par le spin des électrons, notamment la photosynthèse et la capacité de certains animaux à détecter le champ magnétique terrestre. Mais jusqu’à récemment, on pensait que les spins des noyaux n’affectaient pas les processus biologiques.

L'équipe de Paltiel a découvert que le spin nucléaire peut affecter la façon dont différents isotopes de l'oxygène interagissent avec les biomolécules chirales.

"Notre recherche sonde la règle de la chiralité dans la vie", explique Paltiel. "Nous étudions actuellement l'effet de la 'sélectivité de spin induite par chiral' (CISS), qui établit un lien entre le spin électronique et la chiralité."

La chiralité est une propriété asymétrique détenue par un objet qui ne peut pas être mappée sur son image miroir à l'aide de rotations et de traductions. Un exemple familier est celui de la main humaine. En effet, chiral est dérivé du mot grec signifiant main et les objets chiraux sont appelés droitiers ou gauchers.

De nombreuses biomolécules importantes peuvent exister dans des versions droitières et gauchers, mais une chiralité a tendance à dominer dans la nature. CISS signifie que les électrons avec des spins dans une certaine direction (par exemple vers le haut) interagiront avec une molécule chirale d'une manière différente des électrons avec des spins dans la direction opposée (vers le bas).

Paltiel et ses collègues ont montré que les spins nucléaires sont également pertinents pour le CISS. Les chercheurs ont mis en place deux expériences impliquant trois isotopes stables de l'oxygène. Il s’agit de l’oxygène 16 et de l’oxygène 18, qui ont tous deux un spin nucléaire nul, et de l’oxygène 17, qui a un spin nucléaire de 5/2.

Leur première expérience impliquait l’électrolyse de l’eau : un processus vital dans la photosynthèse. Ici, l’équipe a généré un courant électronique sélectif de spin en utilisant l’effet CISS. Cela a été réalisé en recouvrant l’anode d’une couche de molécules à chiralité uniforme. L'anode est l'endroit où les molécules d'oxygène sont produites par électrolyse et on sait que cette production est améliorée lorsqu'un courant électronique sélectif de spin est utilisé.

L'eau utilisée dans l'expérience contenait les trois isotopes de l'oxygène et les chercheurs ont analysé la composition isotopique de l'oxygène produit pour voir si celle-ci était affectée par le spin nucléaire. Ils ont constaté que beaucoup moins de molécules d’oxygène contenant de l’oxygène 17 étaient produites lorsque le revêtement chiral était utilisé que lorsqu’une anode nue était utilisée. Selon l’équipe, cela montre que le CISS peut également impliquer des spins nucléaires.

Dans la deuxième expérience, l'équipe de Paltiel a étudié le transport de l'eau à travers les membranes des cellules humaines vivantes. Dans une membrane cellulaire, l'eau est transférée via des protéines spéciales appelées aquaporines, qui empêchent d'autres ions ou solutés de passer avec l'eau.

Les molécules responsables de cette sélectivité sont chirales et offrent donc un moyen de tester si le CISS est impliqué dans le processus de transport de l'eau. Les chercheurs ont étudié comment les molécules d’eau contenant de l’oxygène 17 et de l’oxygène 18 sont transportées à travers les aquaporines. Ils ont constaté qu’il existait une nette préférence pour le transport d’un isotope par rapport à l’autre, démontrant ainsi que le CISS est impliqué dans le transport de l’eau à travers les cellules humaines.

La chiralité affecte le flux de courant dans les transistors en graphène

"Nos recherches démontrent que le spin nucléaire joue un rôle crucial dans les processus biologiques, ce qui suggère que sa manipulation pourrait conduire à des applications révolutionnaires en biotechnologie et en biologie quantique", explique Paltiel. « Cela pourrait potentiellement révolutionner les processus de fractionnement isotopique et ouvrir de nouvelles possibilités dans des domaines tels que la RMN [résonance magnétique nucléaire] ».

La RMN consiste à sonder les spins nucléaires d’un matériau à l’aide de champs magnétiques externes – mais jusqu’à présent, les isotopes magnétiques des systèmes biologiques adaptés à une technique autre que l’hydrogène étaient extrêmement rares et difficiles à purifier. La découverte de l'équipe présente une méthode possible pour enrichir l'isotope magnétique oxygène-17 dans les systèmes biologiques – qui pourrait ensuite être détectée par RMN.