En química y ciencia de materiales , el autoensamblaje molecular es el proceso mediante el cual las moléculas adoptan una disposición definida sin guía ni gestión de una fuente externa. Existen dos tipos de autoensamblaje : intermolecular e intramolecular . Comúnmente, el término autoensamblaje molecular hace referencia al primero, mientras que al segundo se le llama más comúnmente plegamiento .
El autoensamblaje molecular es un concepto clave en la química supramolecular . [6] [7] [8] Esto se debe a que el ensamblaje de moléculas en tales sistemas se dirige a través de interacciones no covalentes (por ejemplo, enlaces de hidrógeno , coordinación de metales, fuerzas hidrófobas , fuerzas de van der Waals , interacciones de apilamiento pi y/o electrostáticas), así como interacciones electromagnéticas. Los ejemplos comunes incluyen la formación de coloides , condensados biomoleculares , micelas , vesículas , fases de cristales líquidos y monocapas de Langmuir por moléculas de tensioactivos . [9] Otros ejemplos de ensamblajes supramoleculares demuestran que se puede obtener una variedad de formas y tamaños diferentes mediante el autoensamblaje molecular. [10]
El autoensamblaje molecular permite la construcción de topologías moleculares desafiantes . Un ejemplo son los anillos borromeos , anillos entrelazados en los que la extracción de un anillo desbloquea cada uno de los otros anillos. Se ha utilizado ADN para preparar un análogo molecular de los anillos borromeos . [11] Más recientemente, se ha preparado una estructura similar utilizando bloques de construcción no biológicos. [12]
El autoensamblaje molecular subyace a la construcción de conjuntos macromoleculares biológicos y condensados biomoleculares en organismos vivos y, por lo tanto, es crucial para la función de las células . Se exhibe en el autoensamblaje de lípidos para formar la membrana , la formación de ADN de doble hélice a través de enlaces de hidrógeno de las hebras individuales y el ensamblaje de proteínas para formar estructuras cuaternarias . El autoensamblaje molecular de proteínas mal plegadas en fibras amiloides insolubles es responsable de enfermedades neurodegenerativas infecciosas relacionadas con priones . El autoensamblaje molecular de estructuras a nanoescala juega un papel en el crecimiento de las notables estructuras de láminas , setas y espátulas de β-queratina que se utilizan para dar a los geckos la capacidad de escalar paredes y adherirse a techos y salientes de rocas . [13] [14]
Cuando varias copias de un polipéptido codificado por un gen se autoensamblan para formar un complejo, esta estructura proteica se denomina "multímero". [15] Los genes que codifican polipéptidos formadores de multímeros parecen ser comunes. Cuando se forma un multímero a partir de polipéptidos producidos por dos alelos mutantes diferentes de un gen particular, el multímero mixto puede exhibir una mayor actividad funcional que los multímeros no mezclados formados por cada uno de los mutantes solo. En tal caso, el fenómeno se denomina complementación intragénica . [16] Jehle señaló que, cuando se sumerge en un líquido y se mezcla con otras moléculas, las fuerzas de fluctuación de carga favorecen la asociación de moléculas idénticas como vecinas más cercanas. [17]
El autoensamblaje molecular es un aspecto importante de los enfoques ascendentes de la nanotecnología . Mediante el autoensamblaje molecular, la estructura final (deseada) se programa en la forma y los grupos funcionales de las moléculas. El autoensamblaje se conoce como una técnica de fabricación "de abajo hacia arriba", en contraste con una técnica "de arriba hacia abajo", como la litografía , donde la estructura final deseada se talla a partir de un bloque de materia más grande. En la visión especulativa de la nanotecnología molecular , los microchips del futuro podrían fabricarse mediante autoensamblaje molecular. Una ventaja de construir nanoestructuras mediante el autoensamblaje molecular de materiales biológicos es que se degradarán nuevamente en moléculas individuales que el cuerpo puede descomponer.
La nanotecnología del ADN es un área de investigación actual que utiliza el enfoque de autoensamblaje ascendente para objetivos nanotecnológicos. La nanotecnología del ADN utiliza las propiedades únicas de reconocimiento molecular del ADN y otros ácidos nucleicos para crear complejos de ADN ramificados y autoensamblados con propiedades útiles. [18] El ADN se utiliza así como material estructural más que como portador de información biológica, para crear estructuras como redes complejas 2D y 3D (tanto basadas en mosaicos como utilizando el método " origami de ADN ") y tridimensionales. estructuras en forma de poliedros . [19] Estas estructuras de ADN también se han utilizado como plantillas en el ensamblaje de otras moléculas, como nanopartículas de oro [20] y proteínas estreptavidina . [21]
El ensamblaje espontáneo de una sola capa de moléculas en las interfaces suele denominarse autoensamblaje bidimensional. Uno de los ejemplos comunes de tales conjuntos son las monocapas y multicapas de tensioactivos de Langmuir-Blodgett . Las moléculas que no son tensioactivas también pueden ensamblarse en estructuras ordenadas. Las primeras pruebas directas que demuestran que las moléculas sin actividad superficial pueden ensamblarse en arquitecturas de orden superior en interfaces sólidas llegaron con el desarrollo de la microscopía de efecto túnel y poco después. [22] Con el tiempo, dos estrategias se hicieron populares para el autoensamblaje de arquitecturas 2D, a saber, el autoensamblaje después de la deposición y recocido de vacío ultraalto y el autoensamblaje en la interfaz sólido-líquido. [23] El diseño de moléculas y las condiciones que conducen a la formación de arquitecturas altamente cristalinas se considera hoy en día una forma de ingeniería de cristales 2D a escala nanoscópica .
Los pies y dedos de los pies de Gecko son un sistema jerárquico de estructuras complejas que consisten en laminillas, setas y espátulas. Las características distintivas del sistema de adhesión de Gecko se han descrito [como] (1) unión anisotrópica, (2) alta fuerza de extracción a relación de precarga, (3) baja fuerza de desprendimiento, (4) independencia del material, (5) autolimpieza, (6) antiadherente y (7) estado predeterminado no pegajoso... Las estructuras adhesivas del gecko están hechas. de ß-queratina (módulo de elasticidad [aprox.] 2 GPa). Sin embargo, un material tan rígido no es inherentemente pegajoso debido a la naturaleza jerárquica del adhesivo de gecko y a sus características distales extremadamente pequeñas (las espátulas tienen un tamaño de [aprox.] 200 nm; ), el pie del gecko es capaz de adaptarse íntimamente a la superficie y generar una atracción significativa utilizando
fuerzas de van der Waals
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