La ingeniería molecular es un campo de estudio emergente que se ocupa del diseño y la prueba de las propiedades, el comportamiento y las interacciones moleculares con el fin de ensamblar mejores materiales, sistemas y procesos para funciones específicas. Este enfoque, en el que las propiedades observables de un sistema macroscópico se ven influenciadas por la alteración directa de una estructura molecular, cae dentro de la categoría más amplia de diseño “de abajo hacia arriba” .
La ingeniería molecular se ocupa de los esfuerzos de desarrollo de materiales en tecnologías emergentes que requieren enfoques rigurosos de diseño molecular racional hacia sistemas de alta complejidad.
La ingeniería molecular es altamente interdisciplinaria por naturaleza, abarcando aspectos de la ingeniería química , la ciencia de los materiales , la bioingeniería , la ingeniería eléctrica , la física , la ingeniería mecánica y la química . También existe una superposición considerable con la nanotecnología , en el sentido de que ambas se ocupan del comportamiento de los materiales en la escala de nanómetros o más pequeñas. Dada la naturaleza altamente fundamental de las interacciones moleculares, existe una gran cantidad de áreas de aplicación potenciales, limitadas tal vez solo por la imaginación y las leyes de la física. Sin embargo, algunos de los primeros éxitos de la ingeniería molecular se han producido en los campos de la inmunoterapia, la biología sintética y la electrónica imprimible (ver aplicaciones de la ingeniería molecular).
La ingeniería molecular es un campo dinámico y en evolución con problemas complejos; los avances requieren ingenieros sofisticados y creativos que estén familiarizados con todas las disciplinas. Una metodología de ingeniería racional que se basa en principios moleculares contrasta con los enfoques generalizados de ensayo y error comunes en todas las disciplinas de ingeniería. En lugar de confiar en correlaciones empíricas bien descritas pero poco entendidas entre la composición de un sistema y sus propiedades, un enfoque de diseño molecular busca manipular las propiedades del sistema directamente utilizando una comprensión de sus orígenes químicos y físicos. Esto a menudo da lugar a materiales y sistemas fundamentalmente nuevos, que son necesarios para abordar necesidades pendientes en numerosos campos, desde la energía hasta la atención médica y la electrónica. Además, con la mayor sofisticación de la tecnología, los enfoques de ensayo y error suelen ser costosos y difíciles, ya que puede ser difícil dar cuenta de todas las dependencias relevantes entre las variables de un sistema complejo . Los esfuerzos de ingeniería molecular pueden incluir herramientas computacionales, métodos experimentales o una combinación de ambos.
Historia
La ingeniería molecular fue mencionada por primera vez en la literatura de investigación en 1956 por Arthur R. von Hippel , quien la definió como "... un nuevo modo de pensar sobre los problemas de ingeniería. En lugar de tomar materiales prefabricados e intentar idear aplicaciones de ingeniería consistentes con sus propiedades macroscópicas, uno construye materiales a partir de sus átomos y moléculas para el propósito en cuestión". [1] Este concepto fue repetido en la conferencia seminal de 1959 de Richard Feynman There's Plenty of Room at the Bottom , que es ampliamente considerada como la que dio origen a algunas de las ideas fundamentales del campo de la nanotecnología . A pesar de la introducción temprana de estos conceptos, no fue hasta mediados de la década de 1980 con la publicación de Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology de Drexler que los conceptos modernos de la ciencia a escala nano y molecular comenzaron a crecer en la conciencia pública.
El diseño molecular ha sido un elemento importante de muchas disciplinas académicas, entre ellas la bioingeniería, la ingeniería química, la ingeniería eléctrica, la ciencia de los materiales, la ingeniería mecánica y la química. Sin embargo, uno de los desafíos actuales es reunir la masa crítica de mano de obra entre las disciplinas para abarcar el ámbito que va desde la teoría del diseño hasta la producción de materiales, y desde el diseño de dispositivos hasta el desarrollo de productos. Por lo tanto, si bien el concepto de ingeniería racional de la tecnología desde abajo hacia arriba no es nuevo, aún está lejos de traducirse ampliamente en esfuerzos de I+D.
La ingeniería molecular se utiliza en muchas industrias. Algunas aplicaciones de tecnologías en las que la ingeniería molecular desempeña un papel fundamental son:
Productos de consumo
Superficies antibióticas (por ejemplo, incorporación de nanopartículas de plata o péptidos antibacterianos en recubrimientos para prevenir infecciones microbianas) [3]
Cosméticos (por ejemplo, modificación reológica con moléculas pequeñas y surfactantes en champú)
Productos de limpieza (por ejemplo, nanoplata en detergente para ropa)
Baterías de flujo : síntesis de moléculas para electrolitos de alta densidad energética y membranas altamente selectivas en sistemas de almacenamiento de energía a escala de red. [4]
Baterías de iones de litio : creación de nuevas moléculas para su uso como aglutinantes de electrodos, [5] [6] electrolitos, [7] aditivos de electrolitos, [8] o incluso para el almacenamiento de energía directamente [9] [10] [11] con el fin de mejorar la densidad energética (utilizando materiales como grafeno , nanobarras de silicio y litio metálico ), densidad de potencia, ciclo de vida y seguridad.
División fotocatalítica del agua : mejora de la producción de combustible de hidrógeno mediante energía solar y materiales catalíticos avanzados como nanopartículas semiconductoras
Ingeniería ambiental
Desalinización de agua (por ejemplo, nuevas membranas para la eliminación de iones de bajo costo y alta eficiencia) [12]
Remediación del suelo (por ejemplo, nanopartículas catalíticas que aceleran la degradación de contaminantes del suelo de larga duración, como compuestos orgánicos clorados) [13]
Secuestro de carbono (por ejemplo, nuevos materiales para la adsorción de CO2 ) [ 14]
Inmunoterapia
Vacunas basadas en péptidos (por ejemplo, los conjuntos macromoleculares de péptidos anfifílicos inducen una respuesta inmunitaria robusta) [15]
CRISPR : una técnica de edición genética más rápida y eficiente
Administración de genes / terapia genética : diseño de moléculas para administrar genes modificados o nuevos a células de organismos vivos para curar trastornos genéticos.
Ingeniería metabólica : modificación del metabolismo de los organismos para optimizar la producción de sustancias químicas (por ejemplo, genómica sintética )
Ingeniería de proteínas : alteración de la estructura de proteínas existentes para permitir nuevas funciones específicas o la creación de proteínas totalmente artificiales.
Materiales funcionalizados con ADN: ensamblajes tridimensionales de redes de nanopartículas conjugadas con ADN [17]
Técnicas e instrumentos utilizados
Los ingenieros moleculares utilizan herramientas e instrumentos sofisticados para crear y analizar las interacciones entre las moléculas y las superficies de los materiales a escala molecular y nanométrica. La complejidad de las moléculas que se introducen en la superficie está aumentando y las técnicas que se utilizan para analizar las características de la superficie a nivel molecular están en constante cambio y mejora. Mientras tanto, los avances en la informática de alto rendimiento han ampliado enormemente el uso de la simulación por ordenador en el estudio de sistemas a escala molecular.
Un científico del EMSL utiliza el microscopio electrónico de transmisión ambiental en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste. El ETEM ofrece capacidades in situ que permiten la obtención de imágenes con resolución atómica y estudios espectroscópicos de materiales en condiciones operativas dinámicas. A diferencia del funcionamiento tradicional del TEM en alto vacío, el ETEM del EMSL permite obtener imágenes en entornos de alta temperatura y gas.
Al menos tres universidades ofrecen títulos de posgrado dedicados a la ingeniería molecular: la Universidad de Chicago , [18] la Universidad de Washington , [19] y la Universidad de Kioto . [20] Estos programas son institutos interdisciplinarios con profesores de varias áreas de investigación.
La revista académica Molecular Systems Design & Engineering [21] publica investigaciones de una amplia variedad de áreas temáticas que demuestran "una estrategia de diseño u optimización molecular dirigida a la funcionalidad y el rendimiento de sistemas específicos".
^ von Hippel, Arthur R (1956). "Ingeniería molecular". Science . 123 (3191): 315–317. Bibcode :1956Sci...123..315V. doi :10.1126/science.123.3191.315. JSTOR 1750067. PMID 17774519.
^ Chiang, CK (1 de enero de 1977). "Conductividad eléctrica en poliacetileno dopado". Physical Review Letters . 39 (17): 1098–1101. Código Bibliográfico :1977PhRvL..39.1098C. doi :10.1103/PhysRevLett.39.1098.
^ Gallo, Jiri; Holinka, Martin; Moucha, Calin S. (11 de agosto de 2014). "Tratamiento de superficie antibacteriano para implantes ortopédicos". Revista internacional de ciencias moleculares . 15 (8): 13849–13880. doi : 10.3390/ijms150813849 . PMC 4159828 . PMID 25116685.
^ Huang, Jinhua; Su, Liang; Kowalski, Jeffrey A.; Barton, John L.; Ferrandon, Magali; Burrell, Anthony K.; Brushett, Fikile R.; Zhang, Lu (14 de julio de 2015). "Un enfoque sustractivo para la ingeniería molecular de materiales redox basados en dimetoxibenceno para baterías de flujo no acuoso". J. Mater. Chem. A . 3 (29): 14971–14976. doi :10.1039/c5ta02380g. ISSN 2050-7496.
^ Wu, Mingyan; Xiao, Xingcheng; Vukmirovic, Nenad; Xun, Shidi; Das, Prodip K.; Song, Xiangyun; Olalde-Velasco, Paul; Wang, Dongdong; Weber, Adam Z. (31 de julio de 2013). "Hacia un diseño de aglutinante polimérico ideal para ánodos de baterías de alta capacidad". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (32): 12048–12056. doi :10.1021/ja4054465. PMID 23855781. S2CID 12715155.
^ Choi, Jaecheol; Kim, Kyuman; Jeong, Jiseon; Cho, Kuk Young; Ryou, Myung-Hyun; Lee, Yong Min (30 de junio de 2015). "Aglutinante de copoliimida altamente adhesivo y soluble: mejora de la vida útil a largo plazo de los ánodos de silicio en baterías de iones de litio". ACS Applied Materials & Interfaces . 7 (27): 14851–14858. doi :10.1021/acsami.5b03364. PMID 26075943.
^ Tan, Shi; Ji, Ya J.; Zhang, Zhong R.; Yang, Yong (21 de julio de 2014). "Progreso reciente en la investigación sobre electrolitos de alto voltaje para baterías de iones de litio". ChemPhysChem . 15 (10): 1956–1969. doi :10.1002/cphc.201402175. ISSN 1439-7641. PMID 25044525.
^ Zhu, Ye; Li, Yan; Bettge, Martin; Abraham, Daniel P. (1 de enero de 2012). "Pasivación positiva de electrodos mediante el aditivo electrolítico LiDFOB en celdas de iones de litio de alta capacidad". Revista de la Sociedad Electroquímica . 159 (12): A2109–A2117. doi :10.1149/2.083212jes. ISSN 0013-4651.
^ "Nuevas baterías laminares | Printed Electronics World". 18 de mayo de 2007. Consultado el 6 de agosto de 2016 .
^ Nokami, Toshiki; Matsuo, Takahiro; Inatomi, Yuu; Hojo, Nobuhiko; Tsukagoshi, Takafumi; Yoshizawa, Hiroshi; Shimizu, Akihiro; Kuramoto, Hiroki; Komae, Kazutomo (2012-11-20). "Pireno-4,5,9,10-tetraona ligado a polímero para baterías de iones de litio de alta capacidad de carga y descarga rápidas". Journal of the American Chemical Society . 134 (48): 19694–19700. doi :10.1021/ja306663g. PMID 23130634.
^ Liang, Yanliang; Chen, Zhihua; Jing, Yan; Rong, Yaoguang; Facchetti, Antonio; Yao, Yan (11 de abril de 2015). "Polímeros redox π-conjugados altamente n-dopables con capacidad de almacenamiento de energía ultrarrápido". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 137 (15): 4956–4959. doi : 10.1021/jacs.5b02290 . PMID 25826124.
^ Surwade, Sumedh P.; Smirnov, Sergei N.; Vlassiouk, Ivan V.; Unocic, Raymond R.; Veith, Gabriel M.; Dai, Sheng; Mahurin, Shannon M. (2015). "Desalinización de agua utilizando grafeno monocapa nanoporoso". Nature Nanotechnology . 10 (5): 459–464. Bibcode :2015NatNa..10..459S. doi :10.1038/nnano.2015.37. OSTI 1185491. PMID 25799521.
^ He, Feng; Zhao, Dongye; Paul, Chris (1 de abril de 2010). "Evaluación de campo de nanopartículas de hierro estabilizadas con carboximetilcelulosa para la destrucción in situ de solventes clorados en zonas de origen". Water Research . 44 (7): 2360–2370. doi :10.1016/j.watres.2009.12.041. PMID 20106501.
^ Pelley, Janet. "Mejor captura de carbono mediante la química | Noticias de química e ingeniería". cen.acs.org . Consultado el 6 de agosto de 2016 .
^ Black, Matthew; Trent, Amanda; Kostenko, Yulia; Lee, Joseph Saeyong; Olive, Colleen; Tirrell, Matthew (24 de julio de 2012). "Las micelas anfifílicas de péptidos autoensamblados que contienen un epítopo de células T citotóxicas promueven una respuesta inmunitaria protectora in vivo". Materiales avanzados . 24 (28): 3845–3849. Bibcode :2012AdM....24.3845B. doi :10.1002/adma.201200209. ISSN 1521-4095. PMID 22550019. S2CID 205244562.
^ Acar, Handan; Ting, Jeffrey M.; Srivastava, Samanvaya; LaBelle, James L.; Tirrell, Matthew V. (2017). "Soluciones de ingeniería molecular para la administración de péptidos terapéuticos". Chemical Society Reviews . 46 (21): 6553–6569. doi :10.1039/C7CS00536A. ISSN 0306-0012. PMID 28902203.
^ Lequieu, Joshua; Córdoba, Andrés; Hinckley, Daniel; de Pablo, Juan J. (17 de agosto de 2016). "Respuesta mecánica de cristales de nanopartículas de ADN a la deformación controlada". ACS Central Science . 2 (9): 614–620. doi :10.1021/acscentsci.6b00170. ISSN 2374-7943. PMC 5043426 . PMID 27725959.
^ "Instituto de Ingeniería Molecular". ime.uchicago.edu . Consultado el 6 de agosto de 2016 .
^ "Molecular Engineering & Sciences Institute" (Instituto de Ingeniería y Ciencias Molecular). www.moles.washington.edu . Consultado el 6 de agosto de 2016 .
^ "Página principal - Universidad de Kioto, Departamento de Ingeniería Molecular". www.ml.t.kyoto-u.ac.jp . Consultado el 6 de agosto de 2016 .
^ "Molecular Systems Design & Engineering". Royal Society of Chemistry. 31 de julio de 2014. Consultado el 6 de agosto de 2016 .
