En la química huésped-anfitrión , las jaulas macromoleculares son un tipo de macromolécula que consiste estructuralmente en una cámara tridimensional rodeada por un marco molecular. Las arquitecturas de jaulas macromoleculares vienen en varios tamaños que van desde 1 a 50 nm y tienen diferentes topologías, así como funciones. [1] Se pueden sintetizar a través de enlaces covalentes o autoensamblaje a través de interacciones no covalentes . La mayoría de las jaulas macromoleculares que se forman a través del autoensamblaje son sensibles al pH , la temperatura y la polaridad del disolvente . [1]
Los poliedros orgánicos metálicos (MOP) comprenden un tipo específico de jaula macromolecular autoensamblada que se forma a través de una coordinación única y que normalmente es química y térmicamente estable. [1] Los MOP tienen estructuras similares a jaulas con una cavidad cerrada. El autoensamblaje discreto de iones metálicos y andamios orgánicos para formar MOP en arquitecturas altamente simétricas es un proceso modular y tiene varias aplicaciones. El autoensamblaje de varias subunidades que dan como resultado una alta simetría es una ocurrencia común en los sistemas biológicos. Ejemplos específicos de esto son la ferritina , la cápside y el virus del mosaico del tabaco , que se forman mediante el autoensamblaje de subunidades proteicas en una simetría poliédrica. Los poliedros no biológicos formados con iones metálicos y enlaces orgánicos son jaulas macromoleculares basadas en metales que tienen nanocavidades con múltiples aberturas o poros que permiten que las moléculas pequeñas permeen y pasen a través de ellas. [1] Los MOP se han utilizado para encapsular una serie de huéspedes a través de varias interacciones anfitrión-huésped (por ejemplo, interacciones electrostáticas, enlaces de hidrógeno e interacciones estéricas). [1] Los MOP son materiales biomiméticos que tienen potencial para aplicaciones biomédicas y bioquímicas. Para que la jaula funcione de manera eficaz y tenga relevancia biomédica, debe ser químicamente estable, biocompatible y debe operar mecanísticamente en medios acuosos. Las jaulas macromoleculares en general se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones (por ejemplo, nanoencapsulación, biodetección , administración de fármacos , regulación de la síntesis de nanopartículas y catálisis ). [1] [2]
También hay una clase de jaulas macromoleculares que se forman sintéticamente a través de enlaces covalentes en lugar de autoensamblaje. A través de la estrategia de formación de enlaces covalentes, las moléculas de la jaula se pueden sintetizar metódicamente con una funcionalidad personalizable y un tamaño de cavidad regulado. Los polímeros en forma de jaula son análogos macromoleculares de jaulas moleculares como el criptando . [2] Una molécula de jaula de este tipo se puede ajustar por el grado de polimerización . Los polímeros que se utilizan normalmente para hacer las jaulas macromoleculares basadas en polímeros se hacen con polímeros en forma de estrella o precursores de polímeros no lineales. [3] [2] [4] El tamaño molecular de la jaula macromolecular polimérica está controlado por el peso molecular del polímero en forma de estrella o polímero ramificado . Las jaulas macromoleculares hechas de polímeros no lineales están diseñadas para tener reconocimiento molecular, responder a estímulos externos y autoensamblarse en estructuras de orden superior. [3]
Los fulerenos son una clase de alótropos de carbono que se descubrieron por primera vez en 1985 y también son un ejemplo de jaulas macromoleculares. El buckminsterfullereno (C 60 ) y los 60 átomos de esta molécula están dispuestos en una estructura similar a una jaula y el marco se asemeja a un balón de fútbol; la molécula tiene una simetría icosaédrica. [ cita requerida ] El C 60 tiene aplicaciones versátiles debido a su estructura de jaula macromolecular; por ejemplo, se puede utilizar para la purificación del agua, la catálisis, los productos biofarmacéuticos, servir como portador de radionúclidos para la resonancia magnética y la administración de fármacos. [5]
Existen muchos ejemplos de motivos de jaulas macromoleculares altamente simétricas conocidas como jaulas proteicas en sistemas biológicos. El término jaula proteica delinea una amplia gama de estructuras proteicas que se forman mediante el autoensamblaje de subunidades proteicas en nanopartículas macromoleculares huecas. [6] Estas jaulas proteicas son nanopartículas que tienen una o más cavidades presentes en su estructura. El tamaño de la cavidad contribuye al tamaño de la partícula que la cavidad puede encerrar, por ejemplo, nanopartículas inorgánicas, ácidos nucleicos e incluso otras proteínas. [6] La porción interior o de cámara de la jaula proteica suele ser accesible a través de un poro que se encuentra entre las subunidades proteicas. [6] [7] El exosoma de ARN tiene sitios activos de nucleasa que están presentes en una cavidad donde tiene lugar la degradación del ARN 3'; el acceso a esta cavidad está controlado por un poro y esto sirve para evitar la descomposición incontrolable del ARN. [7] Algunas jaulas proteicas son estructuras dinámicas que se ensamblan y desmontan en respuesta a estímulos externos. [6] Otros ejemplos de jaulas de proteínas son las jaulas de clatrina , las envolturas virales , las chaperoninas y la proteína de almacenamiento de hierro ferritina . [1] [6]
Existen varios métodos utilizados para formar jaulas macromoleculares poliméricas. Un método sintético utiliza la apertura de anillo y la química de clic múltiple en el primer paso para formar polímeros en forma de trébol y cuatrifolio, que luego se pueden convertir topológicamente en jaulas mediante hidrogenólisis . El iniciador en esta síntesis es p -xileno funcionalizado con azido e hidroxi y el monómero es óxido de butileno . [2] La polimerización por apertura de anillo y las ciclizaciones de clic simultáneas de óxido de butileno con el iniciador son catalizadas por t -Bu-P 4 . Esta estrategia sintética se utilizó para formar óxidos de polibutileno en forma de jaula; los copolímeros de bloque en forma de jaula también se forman utilizando un método similar. [2] Una estrategia sintética utiliza polimerización radical por transferencia de átomos y métodos de química de clic para formar poliestireno en forma de ocho y de jaula ; en este caso, el precursor es poliestireno no lineal. [4] Otra estrategia sintética emplea la oligomerización por metátesis de apertura de anillo intramolecular de un polímero estrella y este método de reacción es catalizado por el catalizador de tercera generación de Grubb diluido. [3]
Los marcos orgánicos covalentes (COF) también se han utilizado para formar arquitecturas de jaula y en uno de esos ejemplos se utilizó la ciclización de base de Schiff para formar la molécula de jaula macromolecular. [8] En esta síntesis, el 1,3,5-triformilbenceno y ( R,R )-(1,2)-difeniletilendiamina experimentan cicloiminación en diclorometano con ácido trifluoroacético como catalizador para formar una molécula de jaula de COF. Las macrociclaciones también se han empleado para formar jaulas macromoleculares basadas en peptoides , la metodología específica utiliza una síntesis de un solo recipiente para formar jaulas híbridas de esteroides-arilo utilizando reacciones de macrociclización de tipo Ugi de dos y tres veces . [9]
Las jaulas macromoleculares también se pueden formar sintéticamente usando biomoléculas. Las jaulas de proteínas se pueden diseñar genéticamente y el exterior de la jaula se puede adaptar con polímeros sintéticos, lo que se conoce como conjugación proteína-polímero. [6] Las cadenas de polímero preformadas se pueden unir a la superficie de la proteína usando enlaces químicos. La polimerización también puede ocurrir desde la superficie de la proteína, y el polímero también se puede unir a la superficie de las jaulas de proteínas a través de interacciones electrostáticas. [6] El propósito de esta modificación es hacer que las jaulas de proteínas sintéticas sean más biocompatibles ; esta modificación post-sintética hace que la jaula de proteínas sea menos susceptible a una respuesta inmune y estabiliza la jaula de la degradación de las proteasas . [6] También se han sintetizado jaulas de proteínas similares a virus (VLP) y se utiliza tecnología de ADN recombinante para formar proteínas similares a virus no nativas. El primer caso informado de la formación de construcciones de VLP no nativas en una estructura similar a una cápside utilizó un núcleo de oro funcionalizado para la nucleación. [10] El autoensamblaje de la VLP se inició mediante la interacción electrostática de las nanopartículas de oro funcionalizadas, que es similar a la interacción de un virus nativo con su componente de ácido nucleico. Estas jaulas de proteínas virales tienen aplicaciones potenciales en biodetección e imágenes médicas. [10] El origami de ADN es otra estrategia para formar jaulas o contenedores macromoleculares. En un caso, se formó una jaula macromolecular 3D con simetría icosaédrica (que se asemeja a las cápsides virales ) basándose en la estrategia sintética en el origami 2D. [11] La estructura tenía un volumen interior o cavidad hueca encerrada por caras triangulares, similar a una pirámide. Esta jaula de caras cerradas fue diseñada para encapsular potencialmente otros materiales como proteínas y nanopartículas metálicas . [11]