Autoensamblaje molecular

El autoensamblaje molecular es el proceso mediante el cual las moléculas adoptan un arreglo definido sin la guía o el manejo de una fuente externa. Hay dos tipos de autoensamblaje. Estos son el autoensamblaje intramolecular y el autoensamblaje intermolecular. Comúnmente, el término autoensamblaje molecular se refiere al autoensamblaje intermolecular, mientras que el análogo intramolecular se denomina más comúnmente plegamiento.

Sistemas supramoleculares

El autoensamblaje molecular es un concepto clave en la química supramolecular. Esto se debe a que el ensamblaje de moléculas en dichos sistemas está dirigido a través de interacciones no covalentes (por ejemplo, enlaces de hidrógeno, coordinación de metales, fuerzas hidrofóbicas, 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 cristal líquido y monocapas de Langmuir por moléculas de surfactante. Otros ejemplos de ensamblajes supramoleculares demuestran que se puede obtener una variedad de formas y tamaños diferentes utilizando el autoensamblaje molecular.

El autoensamblaje molecular permite la construcción de topologías moleculares desafiantes. Un ejemplo son los anillos borromeos, anillos entrelazados en los que la eliminación de un anillo desbloquea cada uno de los otros anillos. El ADN se ha utilizado para preparar un análogo molecular de los anillos de Borromeo. Más recientemente, se ha preparado una estructura similar utilizando bloques de construcción no biológicos.

Sistemas biológicos

El autoensamblaje molecular subyace en la construcción de ensamblajes macromoleculares biológicos y condensados ​​biomoleculares en los organismos vivos, por lo que 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 plegadas incorrectamente en fibras amiloides insolubles es responsable de las enfermedades neurodegenerativas relacionadas con priones infecciosos. El autoensamblaje molecular de estructuras a nanoescala juega un papel en el crecimiento de las notables estructuras de laminillas/setas/espátulas de β-queratina que se utilizan para dar a los geckos la capacidad de escalar paredes y adherirse a techos y voladizos rocosos.

Multímeros de proteínas

Cuando múltiples copias de un polipéptido codificado por un gen se autoensamblan para formar un complejo, esta estructura proteica se denomina multímero. Los genes que codifican polipéptidos formadores de multímeros parecen ser comunes. Cuando un multímero se forma a partir de polipéptidos producidos por dos alelos mutantes diferentes de un gen particular, el multímero mixto puede mostrar una mayor actividad funcional que los multímeros sin mezclar formados por cada uno de los mutantes solos. En tal caso, el fenómeno se denomina complementación intragénica. 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.

Nanotecnología

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 utilizando el autoensamblaje molecular para materiales biológicos es que se degradarán nuevamente en moléculas individuales que el cuerpo puede descomponer.

Nanotecnología de ADN

La nanotecnología de ADN es un área de investigación actual que utiliza el enfoque de autoensamblaje de abajo hacia arriba 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 ramificado autoensamblado con propiedades útiles. Por lo tanto, el ADN se utiliza como material estructural en lugar de como portador de información biológica, para crear estructuras tales como celosías 2D y 3D complejas (tanto basadas en mosaicos como utilizando el método "DNA origami") y estructuras tridimensionales en el formas de poliedros. Estas estructuras de ADN también se han utilizado como plantillas en el ensamblaje de otras moléculas, como las nanopartículas de oro y las proteínas de estreptavidina.

Monocapas bidimensionales

El ensamblaje espontáneo de una sola capa de moléculas en las interfases se suele denominar autoensamblaje bidimensional. Uno de los ejemplos comunes de tales ensamblajes son las monocapas y multicapas de tensioactivos de Langmuir-Blodgett. Las moléculas no activas en la superficie también pueden ensamblarse en estructuras ordenadas. Las primeras pruebas directas que muestran que las moléculas no activas en la superficie pueden ensamblarse en arquitecturas de orden superior en interfaces sólidas llegaron con el desarrollo de la microscopía de túnel de barrido y poco después. Finalmente, dos estrategias se hicieron populares para el autoensamblaje de arquitecturas 2D, a saber, el autoensamblaje después de la deposición y recocido de ultra alto vacío y el autoensamblaje en la interfaz sólido-líquido.El diseño de moléculas y 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.