Os cientistas detectaram átomos de hidrogénio em movimento rápido – as chaves para inúmeras reações biológicas e químicas – em ação.

Uma equipe liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford usou difração de elétrons ultrarrápida (UED) para registrar o movimento dos átomos de hidrogênio dentro das moléculas de amônia. Outros teorizaram que poderiam rastrear átomos de hidrogênio com difração de elétrons, mas até agora ninguém havia feito o experimento com sucesso.

Os resultados, publicados na Physical Review Letters , aproveitam a força dos elétrons Megaelétron-volt (MeV) de alta energia para estudar átomos de hidrogênio e transferências de prótons, nas quais o próton singular que constitui o núcleo de um átomo de hidrogênio se move de uma molécula para outra.

As transferências de prótons impulsionam inúmeras reações na biologia e na química – pense nas enzimas, que ajudam a catalisar reações bioquímicas , e nas bombas de prótons, que são essenciais para as mitocôndrias, as potências das células – por isso seria útil saber exatamente como sua estrutura evolui durante essas reações. Mas as transferências de prótons acontecem super-rápidas – em alguns femtossegundos, um milionésimo de um bilionésimo de segundo. É um desafio capturá-los em ação.

Uma possibilidade é disparar raios X contra uma molécula e depois usar os raios X dispersos para aprender sobre a estrutura da molécula à medida que ela evolui. Infelizmente, os raios X interagem apenas com os elétrons – não com os núcleos atômicos – portanto, não é o método mais sensível.

Para obter as respostas que procuravam, uma equipe liderada pelo cientista do SLAC, Thomas Wolf, colocou a MeV-UED, a câmera ultrarrápida de difração de elétrons do SLAC , para funcionar. Eles usaram amônia em fase gasosa, que possui três átomos de hidrogênio ligados a um átomo de nitrogênio . A equipe atingiu a amônia com luz ultravioleta , dissociando ou quebrando uma das ligações hidrogênio-nitrogênio, depois disparou um feixe de elétrons através dela e capturou os elétrons difratados.

Eles não apenas captaram sinais da separação do hidrogênio do núcleo de nitrogênio, mas também captaram a mudança associada na estrutura da molécula. Além do mais, os elétrons espalhados dispararam em ângulos diferentes, para que pudessem separar os dois sinais.

“Ter algo que seja sensível aos elétrons e algo que seja sensível aos núcleos no mesmo experimento é extremamente útil”, disse Wolf. "Se pudermos ver o que acontece primeiro quando um átomo se dissocia - se os núcleos ou os elétrons fazem o primeiro movimento para se separar - podemos responder a perguntas sobre como acontecem as reações de dissociação."

Com essa informação, os cientistas poderiam aproximar-se do indescritível mecanismo de transferência de prótons, o que poderia ajudar a responder a inúmeras questões em química e biologia. Saber o que os prótons estão fazendo pode ter implicações importantes na biologia estrutural, onde métodos tradicionais como a cristalografia de raios X e a microscopia crioeletrônica têm dificuldade em “ver” os prótons.

No futuro, o grupo fará o mesmo experimento usando raios X no laser de raios X do SLAC, o Linac Coherent Light Source (LCLS), para ver quão diferentes são os resultados. Eles também esperam aumentar a intensidade do feixe de elétrons e melhorar a resolução temporal do experimento para que possam realmente resolver etapas individuais da dissociação de prótons ao longo do tempo.