Pequeñas máquinas moleculares hacen posible la vida. Los motores giratorios giratorios generan el combustible químico que necesitan nuestras células, los caminantes en miniatura transportan nutrientes y los diminutos equipos de construcción construyen proteínas. Ahora, los químicos se están involucrando al hacer versiones aún más pequeñas y simples de estas máquinas biológicas.
En tres estudios, los científicos informan que diseñaron sus propias bombas moleculares y motores rotativos. Los diminutos dispositivos aún no están listos para hacer su debut en el mundo real, pero las versiones futuras podrían absorber dióxido de carbono del aire y recolectar metales valiosos del agua de mar. Los nuevos estudios muestran que es posible hacer que los equipos de motores funcionen todos en la misma dirección y concentrar los productos químicos objetivo en un espacio confinado, una hazaña que la biología usa para mantener el trabajo.
“Estos son pasos muy importantes hacia máquinas moleculares útiles para la vida real”, dice Ivan Aprahamian, químico del Dartmouth College que no participó en los estudios.
La mayoría de los motores grandes queman combustible para generar calor que luego impulsa pistones y engranajes para crear movimiento. Pero la vida a escala molecular es diferente. Debido al tamaño cada vez más pequeño de las moléculas, una reacción química que hace que un rotor molecular gire en el sentido de las agujas del reloj es igualmente probable que lo haga en el sentido contrario a las agujas del reloj. Y el calor empuja a las moléculas al azar en todas las direcciones. “A escalas tan pequeñas, el movimiento caótico aleatorio de componentes y moléculas es inevitable”, dice Nathalie Katsonis, química de la Universidad de Groningen.
Fraser Stoddart ha estado trabajando para superar este desafío durante años. El químico orgánico de la Universidad de Northwestern creó algunas de las primeras máquinas moleculares pequeñas basadas en productos químicos del mundo y compartió un Premio Nobel por su investigación en 2016. Su equipo diseñó anillos que se enroscaban dentro y fuera de un eje molecular cuando se agregaban diferentes productos químicos. Pero debido a que esas máquinas vagaban al azar en la solución, las colecciones de ellas no coordinaban sus tareas en ninguna dirección en particular, lo que significaba que no podían realizar un trabajo útil.
Stoddart y sus colegas ahora han superado ese obstáculo. Como informaron en Ciencia en diciembre de 2021, inmovilizaron una nueva generación de bombas moleculares en la superficie de partículas sólidas hechas de materiales conocidos como estructuras orgánicas metálicas. Estas partículas tienen una arquitectura similar a Tinker Toy que los químicos pueden controlar a nivel atómico. Eso hizo posible que los investigadores injertaran sus bombas moleculares en estas superficies, todas en la misma orientación.
Luego, los científicos demostraron que al alimentar su sistema con un par de productos químicos, podían colocar múltiples anillos en cada hilo injertado, aumentando su concentración allí a un nivel más alto que el de los anillos que flotan en la solución. Aunque los investigadores aún no han hecho nada con sus minibombas, Stoddart dice que más retoques podrían crear máquinas diminutas que extraigan moléculas de dióxido de carbono del aire para combatir el cambio climático, tal vez bombeando el gas a través de una membrana que permita capturarlo y secuestrarlo. .
Otro paso hacia la fabricación de bombas moleculares útiles se produjo esta semana, de parte de David Leigh, químico de la Universidad de Manchester, y sus colegas. Él y sus colegas inmovilizaron máquinas diminutas en perlas de plástico del tamaño de un micrómetro. Luego, al igual que el grupo de Stoddart, demostraron que al agregar repetidamente un pulso de combustible químico, podían enhebrar múltiples anillos en varillas unidas a las cuentas.
Los investigadores de Leigh usaron dos anillos diferentes, que emitían luz verde o azul, y mostraron podrían alternar los anillos de diferentes colores en las varillas, informaron el lunes en Naturaleza Nanotecnología. Un uso posible: mover anillos dentro y fuera de hilos para escribir y leer datos para el almacenamiento de datos de alta densidad, dice Leigh. Y si el equipo puede pasar sustancias químicas de los anillos al interior de las cuentas huecas, los diminutos dispositivos podrían succionar las toxinas del torrente sanguíneo.
En un estudio final, publicado hoy en Naturalezael equipo de Leigh creó un motor giratorio que gira continuamente mientras haya combustible presente. En este caso, un grupo químico llamado pirrol-2-carbonilo actúa como un rotor que gira sobre un grupo estacionario llamado fenil-2-carbonilo. Cuando no hay combustible presente, otro grupo llamado diácido que está unido al rotor choca contra el grupo estacionario, evitando la rotación.
Sin embargo, una combinación de dos moléculas de combustible cambia la configuración del diácido, eliminando primero el bloqueo, lo que permite que el rotor gire, y luego restaurando el bloqueo, asegurando que el rotor no pueda girar hacia atrás. Pares adicionales de moléculas de combustible lo hacen girar de nuevo. “Nuestro motor girará mientras haya combustible”, dice Leigh. Aunque aún no está claro qué harán los científicos con este motor rotativo de 26 átomos, un análogo biológico más grande utiliza el movimiento de rotación para generar trifosfato de adenosina, el combustible que utilizan las células para trabajar.
Por ahora, el giro del rotor impulsado por combustible no es muy rápido, solo hace unas tres revoluciones por día. Pero Leigh señala que los químicos aún están aprendiendo las reglas para hacer que las máquinas moleculares sean más eficientes. El próximo gran obstáculo será la coordinación de estas máquinas para realizar tareas útiles. Eso incluso puede permitir que el trabajo se pague por sí mismo, por ejemplo, recolectando iones de metales preciosos del océano para su uso en la fabricación de productos químicos y electrónicos. Cuando los químicos aprendan a coordinar este tipo de trabajo práctico, «será un cambio de juego», dice Leigh.
