Máquina molecular

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Una máquina molecular , nanito o nanomáquina [1] es un componente molecular que produce movimientos cuasi-mecánicos (salida) en respuesta a determinados estímulos (entrada) [2] [3] . En biología celular, las máquinas macromoleculares a menudo realizan tareas vitales como la replicación del ADN y la síntesis de ATP . La expresión se aplica con mayor frecuencia a moléculas que simplemente imitan las funciones que ocurren a nivel macroscópico. El término también es común en nanotecnología, donde se han propuesto varias máquinas moleculares muy complejas destinadas a crear un ensamblador molecular [4][5] .

Durante las últimas décadas, químicos y físicos han intentado, con diversos grados de éxito, miniaturizar las máquinas que existen en el mundo macroscópico. Las máquinas moleculares están a la vanguardia de la investigación en biología celular. El Premio Nobel de Química de 2016 fue otorgado a Jean-Pierre Sauvage , Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa por el desarrollo y síntesis de máquinas moleculares [6] [7] .

Tipos

Las máquinas moleculares se pueden dividir en dos grandes categorías; artificiales y biológicas. Las máquinas moleculares artificiales (AMM, por sus siglas en inglés) se refieren a moléculas creadas y sintetizadas artificialmente, mientras que las máquinas moleculares biológicas generalmente se encuentran en la naturaleza y evolucionaron a sus formas después de la abiogénesis en la Tierra [8] .

Máquinas moleculares artificiales

Los químicos han sintetizado una gran cantidad de máquinas moleculares artificiales (AMM), que son bastante simples y pequeñas en comparación con las máquinas moleculares biológicas [8] . La primera lanzadera molecular AMM fue sintetizada por Sir J. Fraser Stoddart [9] . La lanzadera molecular es una molécula de rotaxano en la que el anillo está bloqueado mecánicamente en el eje con dos tapones voluminosos. El anillo puede moverse entre dos sitios de unión con diferentes estímulos como luz, pH, solventes e iones [10] .

Los autores del artículo de JACS de 1991 señalaron: "A medida que sea posible controlar el movimiento de un componente molecular en relación con otro en el rotaxano, surgirá la tecnología para crear máquinas moleculares". Las arquitecturas moleculares mecánicamente interconectadas han encabezado el desarrollo y la síntesis de AMM, ya que permiten el movimiento dirigido de moléculas [11] . Hoy en día hay una gran cantidad de AMM que se enumeran a continuación.

Motores moleculares

Los motores moleculares son moléculas que son capaces de un movimiento de rotación dirigido alrededor de un enlace simple o doble [12] [13] [14] [15] . Los motores rotativos de enlace simple [16] generalmente se activan mediante reacciones químicas, mientras que los motores rotativos de enlace doble [17] generalmente funcionan con luz. La velocidad de rotación del motor también se puede ajustar mediante un cuidadoso diseño molecular [18] . También se han producido nanomotores a partir de nanotubos de carbono [19] .

Hélice molecular

Una hélice molecular es una molécula que puede empujar líquidos a medida que gira debido a su forma especial, que está diseñada de manera similar a las hélices macroscópicas [20] [21] . Tiene varias cuchillas a escala molecular unidas en cierto ángulo alrededor de la circunferencia de un eje a nanoescala. Véase también giroscopio molecular .

Cambio molecular

Un interruptor molecular es una molécula que puede moverse reversiblemente entre dos o más estados estables [22] . Las moléculas pueden cambiar entre estados en respuesta a cambios en el pH, la luz (fotointerruptor), la temperatura, la corriente eléctrica, el microambiente o la presencia de un ligando [22] [23] [24] .

Transbordador molecular

Una lanzadera molecular es una molécula capaz de mover moléculas o iones de un lugar a otro [25] . La lanzadera molecular habitual consta de rotaxano, cuyo macrociclo puede moverse entre dos sitios a lo largo del eje de "pesa" [25] [9] [26] .

Nanomóvil (nanocar)

Los nanocoches son vehículos de una sola molécula que se asemejan a los coches macroscópicos y son importantes para comprender cómo controlar la difusión molecular en las superficies. Los primeros nanomóviles fueron sintetizados por James M. Tour en 2005. Tenían un chasis en forma de H y 4 ruedas moleculares ( fulerenos ) unidas a las cuatro esquinas [27] . En 2011, Ben Feringa y sus colaboradores sintetizaron el primer nanocoche motorizado con motores moleculares unidos al chasis como ruedas giratorias [28] . Los autores pudieron demostrar el movimiento dirigido de un nanomóvil sobre una superficie de cobre aplicando energía desde la punta de un microscopio de efecto túnel. Más tarde, en 2017, Toulouse acogió la primera carrera de nanocoches del mundo.

Escalas moleculares

Un peso molecular [29] [30] es una molécula que puede interactuar entre dos o más estados conformacionales o configuracionales en respuesta a la dinámica de múltiples fuerzas impulsoras intra e intermoleculares, como enlaces de hidrógeno , efectos solvofóbicos/hidrofóbicos [31] , π - interacciones [32] interacciones estéricas y de dispersión [33] . Los pesos moleculares pueden estar formados por moléculas pequeñas o macromoléculas como las proteínas. Las proteínas plegadas cooperativamente, por ejemplo, se han utilizado como pesos moleculares para medir las energías de interacción y las tendencias conformacionales [34] .

Pinzas moleculares

Una pinza molecular es una molécula huésped capaz de sujetar objetos entre dos "manos" [35] . La cavidad abierta de las pinzas moleculares une objetos mediante enlaces no covalentes, incluidos enlaces de hidrógeno, coordinación de metales, fuerzas hidrofóbicas, fuerzas de van der Waals , interacciones π o efectos electrostáticos [36] . Se han informado ejemplos de pinzas moleculares que se construyen a partir de ADN y se cree que son máquinas de ADN [37] .

Sensor molecular

Un sensor molecular es una molécula que interactúa con un analito para provocar cambios detectables [38] [39] . Los sensores moleculares combinan el reconocimiento molecular con algún tipo de indicador para que se pueda observar la presencia de un objeto.

Pasarela lógica molecular

Una puerta lógica molecular es una molécula que realiza una operación lógica en una o más entradas lógicas y produce una sola salida lógica [40] [41] . A diferencia de un sensor molecular, una puerta lógica molecular solo generará datos cuando esté presente una cierta combinación de entradas.

Ensamblador molecular

Un ensamblador molecular es una máquina molecular capaz de controlar reacciones químicas posicionando con precisión las moléculas reactivas [42] [43] [44] [45] [46] .

Bisagra molecular

Una bisagra molecular es una molécula que puede cambiarse selectivamente de una configuración a otra de manera reversible [47] . Tales configuraciones deben tener una geometría reconocible; por ejemplo, los grupos azobenceno en una molécula lineal pueden sufrir una isomerización cis - trans [48] cuando se irradian con luz ultravioleta, lo que provoca una transición reversible a una conformación doblada o en forma de V [49] [50] [51] [52] . Las bisagras moleculares suelen girar alrededor de un eje rígido, como un doble enlace o un anillo aromático [53] . Sin embargo, también se han sintetizado bisagras moleculares macrocíclicas con mecanismos más similares a abrazaderas [54] [55] [56] .

Máquinas moleculares biológicas

Los mecanismos macromoleculares más complejos se encuentran dentro de las células, a menudo en forma de complejos multiproteicos [57] . Ejemplos importantes de máquinas biológicas incluyen proteínas motoras como la miosina , que es responsable de la contracción muscular , la quinesina , que mueve las cargas dentro de las células lejos del núcleo a lo largo de los microtúbulos , y la dineína , que mueve las cargas dentro de las células hacia el núcleo y provoca el latido axonemal de las fibras móviles. cilios y flagelos . Como resultado, el cilio móvil es una nanomáquina compuesta por más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan de manera independiente como nanomáquinas. Los enlazadores flexibles permiten que los dominios de proteínas móviles unidos por ellos recluten a sus socios de unión e induzcan alostería de largo alcance a través de la dinámica de los dominios de proteínas [1] . Otras máquinas biológicas son responsables de la producción de energía, como la ATP sintasa, que utiliza la energía de los gradientes de protones a través de las membranas para impulsar el movimiento similar a una turbina que se utiliza para sintetizar ATP , la moneda energética de la célula [58] . Otras máquinas son responsables de la expresión génica , incluidas las polimerasas de ADN para la replicación del ADN, las polimerasas de ARN para la producción de ARNm , los empalmesomas para la eliminación de intrones y los ribosomas para la síntesis de proteínas . Estas máquinas y su dinámica a nanoescala son mucho más complejas que cualquier máquina molecular que se haya creado artificialmente hasta ahora [59] .

Las máquinas biológicas pueden encontrar aplicaciones en la nanomedicina . Por ejemplo [60] , pueden utilizarse para identificar y destruir células cancerosas [61] [62] . La nanotecnología molecular es una división especulativa de la nanotecnología sobre la posibilidad de desarrollar ensambladores moleculares , máquinas biológicas que pueden reordenar la materia a escala molecular o atómica. La nanomedicina utilizará estos nanorobots introducidos en el cuerpo para reparar o detectar daños e infecciones. La nanotecnología molecular es altamente teórica, su objetivo es anticipar qué invenciones podría traer la nanotecnología y sugerir una agenda para futuras investigaciones. Los elementos propuestos de la nanotecnología molecular, como los ensambladores moleculares y los nanorobots, superan con creces las capacidades existentes [63] [64] .

Investigación

La creación de máquinas moleculares más complejas es un área activa de investigación teórica y experimental. Se han desarrollado varias moléculas, como hélices moleculares, aunque los estudios experimentales de estas moléculas son difíciles debido a la falta de métodos para su creación [65] . En este contexto, el modelado teórico puede ser extremadamente útil [66] para comprender los procesos de autoensamblaje/desensamblaje de rotaxanos, que son importantes para la creación de máquinas moleculares alimentadas por luz [67] . Este conocimiento a nivel molecular puede contribuir a la implementación de máquinas moleculares cada vez más complejas, versátiles y eficientes para los campos de la nanotecnología, incluidos los ensambladores moleculares.

Aunque actualmente no es factible, algunas aplicaciones potenciales de las máquinas moleculares incluyen transporte a nivel molecular, manipulación de nanoestructuras y sistemas químicos, procesamiento de información de estado sólido de alta densidad y prótesis moleculares [68] . Antes de que las máquinas moleculares puedan usarse en la práctica, deben superarse muchos problemas fundamentales, como la autonomía, la complejidad de la máquina, la estabilidad en la síntesis de la máquina y las condiciones de funcionamiento [8] .

Notas

 

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