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Maquina molecular

Las máquinas moleculares son una clase de moléculas que se describen típicamente 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 naturales o biológicas son responsables de procesos vitales como la replicación del ADN y la síntesis de ATP . Las kinesinas 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 las máquinas que se encuentran en el mundo macroscópico. El primer ejemplo de una máquina molecular artificial (AMM) se informó 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 la síntesis de máquinas moleculares.

La kinesina caminando sobre un microtúbulo es una máquina biológica molecular que utiliza la dinámica del dominio de proteínas a nanoescala .

Los AMM 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 sobre enlaces simples o la isomerización cis-trans . Se producen diferentes AMM introduciendo varias funcionalidades, como la introducción de biestabilidad para crear interruptores. Se ha diseñado una amplia gama de AMM, con diferentes propiedades y aplicaciones; algunas de estas incluyen motores moleculares , interruptores y puertas lógicas . Se ha demostrado una amplia gama de aplicaciones para los AMM, incluidas las integradas en sistemas poliméricos , de cristal líquido y cristalinos para diversas funciones (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 ensamblaje de un número discreto de componentes moleculares destinados a producir movimientos mecánicos en respuesta a estímulos específicos. La expresión a menudo se aplica 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 sensibles a estímulos 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 macroscópica 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"). Se considera que las máquinas biológicas son dispositivos a escala nanométrica (como las 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 esas máquinas? ¿Quién sabe? No veo exactamente qué sucedería, pero no me cabe duda de que cuando tengamos cierto control sobre la disposición de las cosas a escala molecular, obtendremos una gama enormemente mayor de posibles propiedades que pueden tener las sustancias y de las diferentes cosas que podemos hacer.

—  Richard Feynman , Hay mucho espacio en el fondo [5]

Las máquinas moleculares biológicas se conocen y estudian desde hace años debido a su papel vital en el mantenimiento de la vida, y han servido como inspiración para sistemas diseñados sintéticamente con una funcionalidad útil similar. [3] [4] La aparición del análisis conformacional, o el estudio de los confórmeros 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 aplicaciones posteriores. Esto condujo al diseño de "máquinas protomoleculares" que presentaban cambios conformacionales como el movimiento dentado de los anillos aromáticos en triptycenes . [6] En 1980, los científicos podían lograr las conformaciones deseadas utilizando estímulos externos y utilizar esto 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 a cationes del éter. [7] En su conferencia fundamental de 1959 There's Plenty of Room at the Bottom (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 con carga positiva (azul) se ubica inicialmente sobre la unidad de bencidina (verde), pero se desplaza hacia la unidad de bifenol (rojo) cuando la bencidina se protona (violeta) como resultado de la oxidación electroquímica o la disminución del pH.
El primer ejemplo de una máquina molecular artificial (una lanzadera molecular conmutable). El anillo con carga positiva (azul) se ubica inicialmente sobre la unidad de bencidina (verde), pero se desplaza hacia la unidad de bifenol (rojo) cuando la bencidina se protona (violeta) como resultado de la oxidación electroquímica o la reducción del pH . [10]

Aunque estos eventos sirvieron como inspiración para el 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] Basándose en el 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 realizó el movimiento bien definido de una unidad molecular a lo largo de la molécula por primera vez. [6] En 1994, un diseño mejorado permitió el control del movimiento del anillo mediante la variación del pH o métodos electroquímicos , lo que lo convirtió en el primer ejemplo de una AMM. Aquí los dos sitios de unión son una unidad de bencidina y una de bifenol ; El anillo catiónico generalmente prefiere permanecer sobre el anillo de bencidina, pero se mueve 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 rotatorio de una molécula de decacicleno en una superficie metálica a base de cobre utilizando un microscopio de efecto túnel de barrido . [14] Durante la década siguiente, se inventaron una amplia variedad de AMM que respondían a varios 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 síntesis de máquinas moleculares. [17] [18]

Máquinas moleculares artificiales

En las últimas décadas, los AMM 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 existentes de movimiento en las moléculas. [2] Por ejemplo, los enlaces simples se pueden visualizar como ejes de rotación, [21] como pueden ser complejos de metaloceno . [22] Se pueden lograr formas curvas o similares a V incorporando enlaces dobles , que pueden experimentar 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 anillo como las observadas para espiropirano y diarileteno también pueden producir formas curvas. [24] Otro modo común de movimiento es la circunrotación de los anillos entre sí, como se observa en moléculas entrelazadas mecánicamente (principalmente catenanos). Si bien no se puede acceder a este tipo de rotación más allá de la molécula misma (porque los anillos están confinados uno dentro del otro), los rotaxanos pueden superar esto ya que los anillos pueden experimentar movimientos de traslación a lo largo de un eje similar a una mancuerna. [25] Otra línea de AMM consiste en biomoléculas como el ADN y las proteínas como parte de su diseño, haciendo uso de fenómenos como el plegamiento y desplegamiento 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 debido a la isomerización cis-trans. c) Movimiento de traslación de un anillo a lo largo del eje de rotaxano tipo mancuerna. d) Rotación de anillos entrelazados en un catenano.
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 debido a la 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 tipo mancuerna (violeta). d) Rotación de anillos entrelazados (representados como rectángulos azules y rojos) en un catenano.

Los diseños de AMM se han diversificado significativamente desde los primeros días del campo. Una ruta importante es la introducción de la biestabilidad para producir interruptores moleculares, que presentan dos configuraciones distintas para la conversión de la molécula. 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 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 débiles o fuertes como en los sistemas biológicos; estos 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 regresa a su estado original. Inspirados por el uso del control cinético para producir trabajo en procesos naturales, los motores moleculares están diseñados para tener un influjo de energía continuo para mantenerlos alejados del equilibrio para entregar trabajo. [2] [1]

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

Tipos

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

Máquinas moleculares biológicas

Un ribosoma que realiza las etapas de elongación y orientación a 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 endoplasmático .

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 kinesina , 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 el latido axonemal de los cilios y flagelos móviles . "[E]n efecto, el [cilio móvil] es una nanomáquina compuesta de quizás más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan independientemente como nanomáquinas ... Los enlazadores flexibles permiten que los dominios proteicos móviles conectados por ellos recluten a sus socios de unión e induzcan alosterio de largo alcance a través de la dinámica del dominio proteico ". [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] Existen otras máquinas responsables de la expresión genética , entre ellas las ADN polimerasas para replicar el ADN, las ARN polimerasas para producir el ARN mensajero , 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 la nanomedicina . [82] Por ejemplo, podrían utilizarse para identificar y destruir células cancerosas. [83] [84] La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología que se refiere 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 muy por encima 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 gran variedad de AMM, los estudios experimentales de estas moléculas se ven obstaculizados 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 desensamblaje en estos sistemas. [87] [88]

Se ha demostrado una amplia gama de aplicaciones para los AMM, incluidos aquellos integrados en sistemas poliméricos , [89] [90] de cristal líquido , [91] [92] y cristalinos [93] [94] para diversas funciones. 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] Los AMM han sido fundamentales en el diseño de varios materiales inteligentes sensibles 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]

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

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

Véase también

Referencias

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