Maquina molecular

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.

Las 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 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 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 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. Algunos requisitos básicos 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. 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 al movimiento térmico aleatorio). 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"). Se considera que las máquinas biológicas son 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.

Historia

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

—Richard Feynman, Hay mucho espacio en el fondo

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. 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" presentando cambios conformacionales como el engranaje de los anillos aromáticos en los trípticos. 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 los isómeros cis y trans al exponerse a la luz y, por lo tanto, ajustar las propiedades de unión de cationes. del éter. 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. 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, aunque su viabilidad estaba en duda.

Aunque estos eventos sirvieron de 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 un "lanzadera molecular" por Sir Fraser Stoddart. Partiendo del ensamblaje de moléculas unidas mecánicamente, como catenanos y rotaxanos, desarrollado por Jean-Pierre Sauvage a principios de los años 1980, esta lanzadera presenta un rotaxano con un anillo que puede moverse a través de un "eje" que se mueve a lo largo 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. 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 AMM. Aquí los dos sitios de unión son una unidad de bencidina y bifenol; El anillo catiónico generalmente 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. 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. Durante la década siguiente, se inventó una amplia variedad de AMM que respondían a diversos estímulos para diferentes aplicaciones. En 2016, el Premio Nobel de Química fue otorgado a Sauvage, Stoddart y Bernard L. Feringa por el diseño y síntesis de máquinas moleculares.

Máquinas moleculares artificiales

En las últimas décadas, las MMA se han diversificado rápidamente y sus principios de diseño, propiedades y métodos de caracterización se han delineado con mayor claridad. Un punto de partida importante para el diseño de AMM es explotar los modos de movimiento existentes en las moléculas. Por ejemplo, los enlaces simples se pueden visualizar como ejes de rotación, al igual que los complejos de metaloceno. 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 (normalmente irradiación con una longitud de onda adecuada), como se ve en numerosos diseños que consisten en estilbeno. y unidades de azobenceno. De manera similar, las reacciones de apertura y cierre de anillos, como las observadas con el espiropirano y el diarileteno, también pueden producir formas curvas. Otro modo común de movimiento es la circunrrotación 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. Otra línea de AMM consta de biomoléculas como el ADN y proteínas como parte de su diseño, aprovechando fenómenos como el plegamiento y desplegado de proteínas.

Los diseños de AMM se han diversificado significativamente desde los primeros días del campo. Una ruta importante es la introducción de la bistabilidad para producir interruptores moleculares, con dos configuraciones distintas para la molécula para convertir entre. Esto se ha percibido como un paso adelante del transbordador molecular original que consistía en dos sitios idénticos para que el anillo se mueva sin ninguna preferencia, de una manera análoga a la vuelta del anillo en un cicloohexano no sustituido. Si estos dos sitios son diferentes entre sí en términos de características como densidad de electrones, esto puede dar lugar a sitios de reconocimiento débiles o fuertes como en sistemas biológicos, tales AMMs han encontrado aplicaciones en catalisis y entrega de drogas. Este comportamiento de conmutación ha sido optimizado para adquirir trabajo útil que se pierde cuando un interruptor típico regresa 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 de energía continuo para mantenerlos alejados del equilibrio para entregar trabajo.

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. Sin embargo, esto conlleva la cuestión de regular prácticamente el suministro 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, 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, magnética, óptica, etc.) se han convertido en las principales fuentes de energía utilizadas para alimentar las AMM, llegando incluso a producir sistemas autónomos como motores impulsados por luz.

Tipos

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

Tipo	Detalles	Imagen
Saldo molecular	Una molécula que puede interconvertir entre dos o más estados conformacionales o de configuración en respuesta a la dinámica de múltiples fuerzas de conducción intra e intermoleculares, tales como la unión de hidrógeno, efectos solvolófobos o hidrofóbicos, interacciones π, y interacciones estéticas y dispersiones. Los distintos conformadores de un equilibrio molecular pueden mostrar diferentes interacciones con la misma molécula, tal que analizar la relación de los conformadores y las energías para estas interacciones puede permitir la cuantificación de diferentes propiedades (como CH-π o interacciones arene-arene, ver imagen).
Bisagra molecular	Una bisagra molecular es una molécula que normalmente puede girar en un movimiento parecido a una manivela alrededor de un eje rígido, como un enlace doble o un anillo aromático, para cambiar entre configuraciones reversibles. Tales configuraciones deben tener geometrías diferenciables; por ejemplo, los grupos de azobenceno en una molécula lineal pueden someterse a cis-trans isomerización cuando se irradia con luz ultravioleta, provocando una transición reversible a una conformación doblada o en forma de V (ver imagen). Se han adaptado bisagras moleculares para aplicaciones como reconocimiento nucleobase, modificaciones peptide y visualización de movimiento molecular.
Puerta de lógica molecular	Una molécula que realiza una operación lógica en una o más entradas lógicas y produce una sola salida lógica. Modelado en puertas lógicas, estas moléculas han reemplazado lentamente la maquinaria convencional basada en el silicio. Se han presentado varias aplicaciones, como exámenes de calidad del agua, exámenes de seguridad alimentaria, detección de iones metálicos y estudios farmacéuticos. El primer ejemplo de una puerta de lógica molecular fue reportado en 1993, con un receptor (ver imagen) donde la intensidad de emisión podría tratarse como una salida sintonizada si las concentraciones de protones y iones de sodio fueran consideradas como insumos.
Motor molecular	Una molécula capaz de movimiento giratorio direccional alrededor de un solo o doble vínculo y producir trabajo útil como resultado (como se describe en la imagen). También se han producido nanomotores de carbono. Los motores giratorios de un solo enlace generalmente se activan por reacciones químicas, mientras que los motores rotativos de doble enlace son generalmente alimentados por la luz. La velocidad de rotación del motor también se puede ajustar por un diseño molecular cuidadoso.
Collar molecular	Una clase de moléculas mecánicamente entrelazadas derivadas de catenanas donde una espina dorsal de macrociclo grande conecta al menos tres anillos pequeños en la forma de un collar (ver imagen por ejemplo). Un collar molecular compuesto por un gran macrociclo roscado por n-1 anillos (de ahí que comprende n anillos) está representado como [n]MN. El primer collar molecular fue sintetizado en 1992, con varios α-ciclodextrinos en una sola columna vertebral de cadena de polietileno glicol; los autores conectaron esto a la idea de un "abaco molecular" propuesto por Stoddart y compañeros de trabajo alrededor del mismo tiempo. Han surgido varias aplicaciones interesantes para estas moléculas, como la actividad antibacteriana, la desulfuración de combustibles y la piezoelectricidad.
hélice molecular	Una molécula que puede propulsar líquidos cuando se rota, debido a su forma especial que está diseñada en analogía con las hélices macroscópicas (ver imagen esquemática a la derecha). Tiene varias cuchillas de escala molecular acopladas en un determinado ángulo de lanzamiento alrededor de la circunferencia de un eje de nanoescala. Se ha demostrado que los propulsores tienen propiedades interesantes, como variaciones en las tasas de bombeo de fluidos hidrofílicos e hidrofóbicos.
Transporte molecular	Una molécula capaz de cerrar moléculas o iones de un lugar a otro. Esto se representa esquemáticamente en la imagen de la derecha, donde un anillo (en verde) puede atar a cualquiera de los sitios amarillos en la columna vertebral macrocíclica azul. Un transbordador molecular común consiste en un rotaxano donde el macrociclo puede moverse entre dos sitios o estaciones a lo largo de la columna vertebral del muñeco; controlando las propiedades de ambos sitios y regulando condiciones como pH puede permitir el control sobre qué sitio está seleccionado para la unión. Esto ha llevado a aplicaciones novedosas en catalisis y entrega de drogas.
Interruptor molecular	Una molécula que se puede cambiar reversiblemente entre dos o más estados estables en respuesta a ciertos estímulos. Este cambio de estados influye en las propiedades de la molécula según el estado que ocupa en este momento. A diferencia de un motor molecular, cualquier trabajo mecánico realizado debido al movimiento en un interruptor generalmente se deshace una vez que la molécula regrese a su estado original a menos que sea parte de un sistema similar al motor. La imagen de la derecha muestra un interruptor basado en la hidratante que cambia en respuesta a los cambios de pH.
Tweezers moleculares	Host moléculas capaces de sostener elementos entre sus dos brazos. La cavidad abierta de los tweezers moleculares ata elementos usando la unión no covalente incluyendo la unión de hidrógeno, coordinación metálica, fuerzas hidrofóbicas, fuerzas van der Waals, interacciones π o efectos electrostáticos. Por ejemplo, la imagen de la derecha representa tweezers formados por pinceres de corannulene que encierran una molécula de C60 fullerene, llamada "buckycatcher". Se han reportado ejemplos de tweezers moleculares que se construyen a partir del ADN y se consideran máquinas de ADN.
Nanocar	Vehículos monomoléculas que se asemejan a los automóviles macroscópicos y son importantes para entender cómo controlar la difusión molecular en las superficies. La imagen de la derecha muestra un ejemplo con ruedas hechas de moléculas de fullerene. Los primeros nanocarros fueron sintetizados por James M. Tour en 2005. Tenían un chasis en forma de H y 4 ruedas moleculares (fullerenes) pegadas a las cuatro esquinas. En 2011, Feringa y compañeros de trabajo sintetizaron el primer nanocar motorizado que tenía motores moleculares unidos al chasis como ruedas giratorias. Los autores pudieron demostrar el movimiento direccional del nanocar en una superficie de cobre proporcionando energía de una punta de microscopio de escaneo. Más tarde, en 2017, la primera carrera de nanocar del mundo tuvo lugar en Toulouse.

Máquinas moleculares biológicas

Las máquinas macromoleculares más complejas se encuentran dentro de las células, a menudo en forma de complejos multiproteicos. 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 el latido axonemal de cilios y flagelos móviles. En efecto, el [cilio móvil] es una nanomáquina compuesta quizás por más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan de forma independiente como nanomáquinas... Los enlazadores flexibles permiten que los dominios proteicos móviles conectados por ellos se reclutar a sus socios de unión e inducir alosterio de largo alcance mediante la dinámica del dominio de proteínas." 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. 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.

Las máquinas biológicas tienen aplicaciones potenciales en nanomedicina. Por ejemplo, podrían usarse para identificar y destruir células cancerosas. La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología sobre 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.

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. En este contexto, el modelado teórico ha surgido como una herramienta fundamental para comprender los procesos de autoensamblaje o desensamblaje en estos sistemas.

Se ha demostrado una amplia gama de aplicaciones para las AMM, incluidas aquellas integradas en sistemas poliméricos, de cristal líquido y cristalinos 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. Los 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.

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.

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.