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maquina molecular

Las máquinas moleculares son una clase de moléculas que normalmente se describen como un conjunto de un número discreto de componentes moleculares destinados a producir movimientos mecánicos en respuesta a estímulos específicos, imitando dispositivos macromoleculares como interruptores y motores. Las máquinas moleculares biológicas o naturales son responsables de procesos vivos vitales como la replicación del ADN y la síntesis de ATP . Las cinesinas y los ribosomas son ejemplos de máquinas moleculares y, a menudo, toman la forma de complejos multiproteicos . Durante las últimas décadas, los científicos han intentado, con distintos grados de éxito, miniaturizar máquinas que se encuentran en el mundo macroscópico. El primer ejemplo de una máquina molecular artificial (AMM) se publicó en 1994, presentando un rotaxano con un anillo y dos posibles sitios de unión diferentes . En 2016, el Premio Nobel de Química fue otorgado a Jean-Pierre Sauvage , Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa por el diseño y síntesis de máquinas moleculares.

La kinesina que camina sobre un microtúbulo es una máquina de biología molecular que utiliza dinámica de dominio de proteínas a nanoescala .

Las MMA se han diversificado rápidamente en las últimas décadas y sus principios de diseño, propiedades y métodos de caracterización se han delineado mejor. Un punto de partida importante para el diseño de AMM es explotar los modos de movimiento existentes en las moléculas, como la rotación alrededor de enlaces simples o la isomerización cis-trans . Se producen diferentes AMM mediante la introducción de varias funcionalidades, como la introducción de biestabilidad para crear interruptores. Se ha diseñado una amplia gama de AMM, con diferentes propiedades y aplicaciones; algunos de ellos incluyen motores moleculares , interruptores y puertas lógicas . Se ha demostrado una amplia gama de aplicaciones para las AMM, incluidas aquellas integradas en sistemas poliméricos , de cristal líquido y cristalinos para funciones variadas (como investigación de materiales , catálisis homogénea y química de superficies ).

Terminología

Varias definiciones describen una "máquina molecular" como una clase de moléculas típicamente descritas como un conjunto de un número discreto de componentes moleculares destinados a producir movimientos mecánicos en respuesta a estímulos específicos. La expresión suele aplicarse de manera más general a moléculas que simplemente imitan funciones que ocurren a nivel macroscópico. [1] Algunos requisitos principales para que una molécula sea considerada una "máquina molecular" son: la presencia de partes móviles, la capacidad de consumir energía y la capacidad de realizar una tarea. [2] Las máquinas moleculares se diferencian de otros compuestos que responden a estímulos y que pueden producir movimiento (como los isómeros cis - trans ) en su amplitud de movimiento relativamente mayor (potencialmente debido a reacciones químicas ) y la presencia de un estímulo externo claro para regular los movimientos. (en comparación con el movimiento térmico aleatorio ). [1] Los materiales piezoeléctricos , magnetoestrictivos y otros que producen un movimiento debido a estímulos externos a escala macro generalmente no se incluyen, ya que a pesar del origen molecular del movimiento los efectos no son utilizables a escala molecular.

Esta definición se aplica generalmente a las máquinas moleculares sintéticas, que históricamente se han inspirado en las máquinas moleculares biológicas naturales (también denominadas "nanomáquinas"). Las máquinas biológicas se consideran dispositivos a nanoescala (como proteínas moleculares ) en un sistema vivo que convierten diversas formas de energía en trabajo mecánico para impulsar procesos biológicos cruciales como el transporte intracelular , las contracciones musculares , la generación de ATP y la división celular . [3] [4]

Historia

¿Cuál sería la utilidad de tales máquinas? ¿Quién sabe? No puedo ver exactamente qué sucedería, pero no puedo dudar de que cuando tengamos algún control sobre la disposición de las cosas a escala molecular obtendremos una gama enormemente mayor de posibles propiedades que las sustancias pueden tener, y de las diferentes cosas que podemos tener. hacer.

—  Richard Feynman , Hay mucho espacio en la parte inferior [5]

Las máquinas moleculares biológicas se conocen y estudian desde hace años debido a su papel vital en el sustento de la vida, y han servido de inspiración para sistemas diseñados sintéticamente con una funcionalidad útil similar. [3] [4] La llegada del análisis conformacional, o el estudio de conformadores para analizar estructuras químicas complejas, en la década de 1950 dio lugar a la idea de comprender y controlar el movimiento relativo dentro de los componentes moleculares para futuras aplicaciones. Esto llevó al diseño de "máquinas protomoleculares" que presentaban cambios conformacionales como los engranajes de los anillos aromáticos en los tripticenos . [6] En 1980, los científicos podían lograr las conformaciones deseadas utilizando estímulos externos y utilizarlos para diferentes aplicaciones. Un ejemplo importante es el diseño de un éter corona fotosensible que contiene una unidad de azobenceno , que podría cambiar entre isómeros cis y trans al exponerse a la luz y, por lo tanto, ajustar las propiedades de unión de cationes del éter. [7] En su conferencia fundamental de 1959 Hay mucho espacio en el fondo , Richard Feynman aludió a la idea y las aplicaciones de dispositivos moleculares diseñados artificialmente mediante la manipulación de la materia a nivel atómico. [5] Esto fue corroborado aún más por Eric Drexler durante la década de 1970, quien desarrolló ideas basadas en la nanotecnología molecular , como los "ensambladores" a nanoescala, [8] aunque su viabilidad fue cuestionada . [9]

El primer ejemplo de una máquina molecular artificial (una lanzadera molecular conmutable). El anillo cargado positivamente (azul) se coloca inicialmente sobre la unidad de bencidina (verde), pero cambia a la unidad de bifenol (rojo) cuando la bencidina se protona (púrpura) como resultado de la oxidación electroquímica o la reducción del pH.
El primer ejemplo de una máquina molecular artificial (una lanzadera molecular conmutable). El anillo cargado positivamente (azul) se coloca inicialmente sobre la unidad de bencidina (verde), pero cambia a la unidad de bifenol (rojo) cuando la bencidina se protona (púrpura) como resultado de la oxidación electroquímica o la disminución del pH . [10]

Aunque estos acontecimientos sirvieron de inspiración para este campo, el verdadero avance en los enfoques prácticos para sintetizar máquinas moleculares artificiales (AMM) tuvo lugar en 1991 con la invención de una "lanzadera molecular" por Sir Fraser Stoddart . [10] Partiendo del ensamblaje de moléculas unidas mecánicamente, como catenanos y rotaxanos, desarrollado por Jean-Pierre Sauvage a principios de la década de 1980, [11] [12] esta lanzadera presenta un rotaxano con un anillo que puede moverse a través de un "eje". entre dos extremos o posibles sitios de unión ( unidades de hidroquinona ). Este diseño logró por primera vez el movimiento bien definido de una unidad molecular a lo largo de la molécula. [6] En 1994, un diseño mejorado permitió controlar el movimiento del anillo mediante variación del pH o métodos electroquímicos , lo que lo convirtió en el primer ejemplo de una MMA. Aquí los dos sitios de unión son una unidad de bencidina y bifenol ; Por lo general, el anillo catiónico prefiere permanecer sobre el anillo de bencidina, pero pasa al grupo bifenol cuando la bencidina se protona a un pH bajo o si se oxida electroquímicamente . [13] En 1998, un estudio pudo capturar el movimiento giratorio de una molécula de decaciceno sobre una superficie metálica a base de cobre utilizando un microscopio de efecto túnel . [14] Durante la década siguiente, se inventó una amplia variedad de AMM que respondían a diversos estímulos para diferentes aplicaciones. [15] [16] En 2016, el Premio Nobel de Química fue otorgado a Sauvage, Stoddart y Bernard L. Feringa por el diseño y la síntesis de máquinas moleculares. [17] [18]

Máquinas moleculares artificiales

En las últimas décadas, las MMA se han diversificado rápidamente y sus principios de diseño, [2] propiedades, [19] y métodos de caracterización [20] se han delineado más claramente. Un punto de partida importante para el diseño de AMM es explotar los modos de movimiento existentes en las moléculas. [2] Por ejemplo, los enlaces simples se pueden visualizar como ejes de rotación, [21] al igual que los complejos de metaloceno . [22] Se pueden lograr formas curvadas o en forma de V incorporando dobles enlaces , que pueden sufrir una isomerización cis-trans en respuesta a ciertos estímulos (típicamente irradiación con una longitud de onda adecuada ), como se ve en numerosos diseños que consisten en unidades de estilbeno y azobenceno. [23] De manera similar, las reacciones de apertura y cierre de anillos, como las observadas para el espiropirano y el diarileteno , también pueden producir formas curvas. [24] Otro modo común de movimiento es la circunrotación de los anillos entre sí, como se observa en las moléculas entrelazadas mecánicamente (principalmente catenanos). Si bien no se puede acceder a este tipo de rotación más allá de la propia molécula (debido a que los anillos están confinados uno dentro del otro), los rotaxanos pueden superar esto ya que los anillos pueden sufrir movimientos de traslación a lo largo de un eje similar a una mancuerna. [25] Otra línea de AMM consiste en biomoléculas como ADN y proteínas como parte de su diseño, haciendo uso de fenómenos como el plegamiento y despliegue de proteínas . [26] [27]

Algunos tipos comunes de movimiento observados en algunos componentes simples de máquinas moleculares artificiales. a) Rotación alrededor de enlaces simples y en metalocenos tipo sándwich. b) Flexión por isomerización cis-trans. c) Movimiento de traslación de un anillo a lo largo del eje del rotaxano en forma de mancuerna. d) Rotación de anillos entrelazados en una catenana.
Algunos tipos comunes de movimiento observados en algunos componentes simples de máquinas moleculares artificiales. a) Rotación alrededor de enlaces simples y en metalocenos tipo sándwich . b) Flexión por isomerización cis-trans . c) Movimiento de traslación de un anillo (azul) entre dos posibles sitios de unión (rojo) a lo largo del eje del rotaxano en forma de mancuerna (púrpura). d) Rotación de anillos entrelazados (representados como rectángulos azules y rojos) en una catenana.

Los diseños de AMM se han diversificado significativamente desde los primeros días del campo. Una ruta importante es la introducción de biestabilidad para producir interruptores moleculares, que presentan dos configuraciones distintas para que la molécula se convierta. Esto se ha percibido como un paso adelante con respecto al transbordador molecular original que consistía en dos sitios idénticos para que el anillo se moviera entre ellos sin ninguna preferencia, de una manera análoga al cambio de anillo en un ciclohexano no sustituido . Si estos dos sitios son diferentes entre sí en términos de características como la densidad electrónica , esto puede dar lugar a sitios de reconocimiento fuertes o débiles, como en los sistemas biológicos; tales AMM han encontrado aplicaciones en catálisis y administración de fármacos . Este comportamiento de conmutación se ha optimizado aún más para adquirir trabajo útil que se pierde cuando un interruptor típico vuelve a su estado original. Inspirados en el uso del control cinético para producir trabajo en procesos naturales, los motores moleculares están diseñados para tener un flujo continuo de energía que los mantenga alejados del equilibrio para generar trabajo. [2] [1]

Hoy en día se emplean diversas fuentes de energía para impulsar máquinas moleculares, pero este no era el caso durante los primeros años del desarrollo de AMM. Aunque los movimientos en las AMM estaban regulados en relación con el movimiento térmico aleatorio que generalmente se observa en las moléculas, no se podían controlar ni manipular como se deseaba. Esto llevó a la adición de fracciones que responden a estímulos en el diseño de AMM, de modo que las fuentes de energía no térmica aplicadas externamente pudieran impulsar el movimiento molecular y, por lo tanto, permitir el control sobre las propiedades. La energía química (o "combustibles químicos") era una opción atractiva al principio, dada la amplia gama de reacciones químicas reversibles (en gran medida basadas en la química ácido-base ) para cambiar moléculas entre diferentes estados. [28] Sin embargo, esto viene con la cuestión de regular prácticamente la entrega del combustible químico y la eliminación de los residuos generados para mantener la eficiencia de la máquina como en los sistemas biológicos. Aunque algunas MMA han encontrado formas de evitar esto, [29] más recientemente han llamado la atención las reacciones libres de residuos, como las basadas en transferencias de electrones o isomerización (como los viológenos con respuesta redox ). Con el tiempo, varias formas diferentes de energía (eléctrica, [30] magnética, [31] óptica [32], etc.) se han convertido en las principales fuentes de energía utilizadas para alimentar las AMM, incluso produciendo sistemas autónomos como motores impulsados ​​por luz. [33]

Tipos

Se han diseñado varias AMM con una amplia gama de funciones y aplicaciones, varias de las cuales se han tabulado a continuación junto con imágenes indicativas: [19]

Máquinas moleculares biológicas.

"Un ribosoma que realiza las etapas de elongación y orientación de la membrana de la traducción de proteínas ". El ribosoma es verde y amarillo, los ARNt son azul oscuro y las otras proteínas involucradas son azul claro. El péptido producido se libera en el retículo endoplásmico .

Las máquinas macromoleculares más complejas se encuentran dentro de las células, a menudo en forma de complejos multiproteicos . [78] Ejemplos importantes de máquinas biológicas incluyen proteínas motoras como la miosina , que es responsable de la contracción muscular , la cinesina , que mueve la carga dentro de las células lejos del núcleo a lo largo de los microtúbulos , y la dineína , que mueve la carga dentro de las células hacia el núcleo y produce la Golpe axonemal de cilios y flagelos móviles . "[E]n efecto, el [cilio móvil] es una nanomáquina compuesta quizás por más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan independientemente como nanomáquinas... Los conectores flexibles permiten que los dominios proteicos móviles conectados por ellos recluten su unión socios e inducir alosterio de largo alcance a través de la dinámica del dominio de proteínas ". [79] Otras máquinas biológicas son responsables de la producción de energía, por ejemplo la ATP sintasa , que aprovecha la energía de los gradientes de protones a través de las membranas para impulsar un movimiento similar a una turbina que se utiliza para sintetizar ATP , la moneda energética de una célula. [80] Otras máquinas son responsables de la expresión genética , incluidas las ADN polimerasas para replicar el ADN, las ARN polimerasas para producir ARNm , el espliceosoma para eliminar intrones y el ribosoma para sintetizar proteínas . Estas máquinas y su dinámica a nanoescala son mucho más complejas que cualquier máquina molecular que se haya construido artificialmente hasta ahora. [81]

Las máquinas biológicas tienen aplicaciones potenciales en nanomedicina . [82] Por ejemplo, podrían usarse para identificar y destruir células cancerosas. [83] [84] La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología con respecto a la posibilidad de diseñar ensambladores moleculares , máquinas biológicas que podrían reordenar la materia a escala molecular o atómica. La nanomedicina haría uso de estos nanorobots , introducidos en el cuerpo, para reparar o detectar daños e infecciones, pero se considera que están mucho más allá de las capacidades actuales. [85]

Investigación y aplicaciones

La construcción de máquinas moleculares más complejas es un área activa de investigación teórica y experimental. Aunque hoy en día se conoce una variedad diversa de AMM, los estudios experimentales de estas moléculas se ven inhibidos por la falta de métodos para construirlas. [86] En este contexto, el modelado teórico ha surgido como una herramienta fundamental para comprender los procesos de autoensamblaje o desmontaje en estos sistemas. [87] [88]

Se ha demostrado una amplia gama de aplicaciones para las AMM, incluidas aquellas integradas en sistemas poliméricos , [89] [90] de cristal líquido , [91] [92] y cristalinos [93] [94] para funciones variadas. La catálisis homogénea es un ejemplo destacado, especialmente en áreas como la síntesis asimétrica , que utiliza interacciones no covalentes y catálisis alostérica biomimética . [95] [96] Las AMM han sido fundamentales en el diseño de varios materiales inteligentes que responden a estímulos, como materiales autoensamblados 2D y 3D y sistemas basados ​​en nanopartículas , para aplicaciones versátiles que van desde la impresión 3D hasta la administración de fármacos. [97] [98]

Las AMM están pasando gradualmente de la química convencional en fase de solución a superficies e interfaces. Por ejemplo, las superficies inmovilizadas con AMM (AMMIS) son una nueva clase de materiales funcionales que consisten en AMM adheridas a superficies inorgánicas que forman características como monocapas autoensambladas; esto da lugar a propiedades sintonizables como la fluorescencia, la agregación y la actividad de liberación de fármacos. [99]

La mayoría de estas aplicaciones permanecen en el nivel de prueba de concepto y necesitan modificaciones importantes para adaptarse a la escala industrial. Los desafíos para optimizar las aplicaciones a macroescala incluyen el funcionamiento autónomo, la complejidad de las máquinas, la estabilidad en la síntesis de las máquinas y las condiciones de trabajo. [1] [100]

Ver también

Referencias

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