Se abre el camino al diseño de sofisticadas máquinas moleculares

Imagen de moléculas obtenida mediante un microscopio de fuerza atómica (AFM)./CiQUS.

Investigadores del Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) de la Universidade de Santiago de Compostela en colaboración con IBM y un equipo internacional de científicos han logrado controlar la formación de enlaces entre los átomos de una molécula mediante pulsos eléctricos, propiciando cambios selectivos en la estructura molecular.

 

CiQUS/DICYT

El avance supone un control sin precedentes a escala molecular y abre una nueva vía para el desarrollo de sofisticadas máquinas moleculares con un amplio rango de posibles aplicaciones. Los resultados acaban de ser portada de la revista Science, escaparate de la mejor ciencia a nivel internacional.

En las moléculas, los átomos están unidos mediante enlaces formando una estructura tridimensional de tamaño nanométrico. Moléculas con el mismo número y tipo de átomos pueden presentar sus enlaces de diferentes formas, es decir, pueden tener diferente conectividad entre sus átomos. Estos compuestos se denominan isómeros estructurales y aportan una variabilidad extraordinaria al mundo molecular. Ahora, los científicos han hallado un método que permite transformar un isómero estructural en otro, reconectando sus enlaces a voluntad en función de un estímulo externo. Para conseguirlo, aplicaron distintos voltajes con la punta de un microscopio de sonda de barrido (STM) sobre una molécula formada por cuatro anillos de carbono, induciendo cambios muy precisos en la estructura de estos anillos.

«Desde el siglo XIX los químicos intentamos cambiar la conectividad entre los átomos en las moléculas para obtener nuevas funcionalidades” señala Diego Peña

«Desde el siglo XIX los químicos intentamos cambiar la conectividad entre los átomos en las moléculas para obtener nuevas funcionalidades” señala Diego Peña, investigador principal del CiQUS y co-autor del estudio: “La novedad es que ahora lo podemos hacer de forma extremadamente precisa y sobre moléculas individuales, como si dispusiésemos de pinzas nanométricas del tamaño de las moléculas”. El nuevo trabajo es fruto de una colaboración internacional del CiQUS con investigadores de IBM Research, King Abdullah University of Science and Technology y la Universität Regensburg. «No solo controlamos qué enlaces se forman, además lo hacemos de forma reversible, podemos cambiar una y otra vez entre las distintas estructuras de forma repetida” señala Leo Gross, investigador de IBM y co-autor del estudio: «La formación selectiva y reversible de enlaces puede favorecer la creación de nuevas máquinas moleculares con funciones y tareas más complejas».

 

La revolución de las máquinas moleculares

Las máquinas moleculares son moléculas que pueden llevar a cabo una determinada tarea en respuesta a un estímulo externo. Sin ir más lejos, nuestro propio cuerpo alberga un gran número de máquinas moleculares con funciones tan vitales como la replicación del ADN. No obstante, diseñar máquinas artificiales y sintetizarlas en el laboratorio es una tarea muy compleja, valedora del Premio Nobel de 2016 a Jean Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart y Ben L. Feringa. La posibilidad de crear y romper enlaces dentro de una molécula individual supone el control deliberado sobre su estructura lo que, a su vez, constituye la base de las máquinas moleculares.

La posibilidad de crear y romper enlaces dentro de una molécula individual supone el control deliberado sobre su estructura lo que, a su vez, constituye la base de las máquinas moleculares

“Hasta ahora las máquinas moleculares artificiales se basaban principalmente en inducir cambios en la distribución espacial de los átomos mediante estímulos externos; al añadir el control sobre la conectividad entre los átomos, podemos abordar la fabricación de diseños más complejos” explica Peña. Su equipo trabaja en el marco de un proyecto europeo centrado en la manipulación de moléculas individuales (MolDAM – ERC SyG). Los investigadores prevén seguir avanzando sobre este conocimiento, y entre sus próximos pasos contemplan la posibilidad de que las reacciones sean desencadenadas mediante luz o transfiriendo electrones entre las distintas partes de una misma molécula, en vez de hacerlo mediante la punta de un microscopio STM.

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