Máquina molecular

Las máquinas moleculares son una clase de moléculas que se describen típicamente 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 naturales o biológicas son responsables de procesos vitales como la replicación del ADN y la síntesis de ATP . Las quinesinas y los ribosomas son ejemplos de máquinas moleculares, y a menudo adoptan la forma de complejos multiproteicos . En el Protein Data Bank se encuentran múltiples ejemplos de maquinaria molecular y sus componentes . ^{[ 2 ]} Durante las últimas décadas, los científicos han intentado, con diversos grados de éxito, miniaturizar las máquinas que se encuentran en el mundo macroscópico.

El primer ejemplo de una máquina molecular artificial (MMA) se reportó 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 la síntesis de máquinas moleculares. Un punto clave es explotar el movimiento existente en las proteínas, como la rotación alrededor de enlaces simples o la isomerización cis-trans . Se producen diferentes MMA introduciendo diversas funcionalidades, como la introducción de biestabilidad para crear interruptores. Se ha diseñado una amplia gama de MMA, con diferentes propiedades y aplicaciones; algunas de ellas incluyen motores moleculares , interruptores y puertas lógicas . Se ha demostrado una amplia gama de aplicaciones para las MMA, incluidas aquellas integradas en sistemas poliméricos , de cristal líquido y cristalinos para diversas funciones (como investigación de materiales , catálisis homogénea y química de superficies ).

Varias definiciones describen una "máquina molecular" como una clase de moléculas que se describen típicamente como un conjunto de un número discreto de componentes moleculares destinados a producir movimientos mecánicos en respuesta a estímulos específicos. La expresión se aplica a menudo de forma más general a moléculas que simplemente imitan funciones que ocurren a nivel macroscópico. ^{[ 3 ]} Algunos requisitos primordiales para que una molécula se considere una "máquina molecular" son: la presencia de partes móviles, la capacidad de consumir energía y la capacidad de realizar una tarea. ^{[ 4 ]} Las máquinas moleculares se diferencian de otros compuestos sensibles a estímulos que pueden producir movimiento (como los isómeros cis - trans ) por 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 el movimiento térmico aleatorio ). ^{[ 3 ]} Los materiales piezoeléctricos , magnetostrictivos y otros que producen un movimiento debido a estímulos externos a escala macroscópica 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 "nanomamáquinas"). Las máquinas biológicas se consideran dispositivos a nanoescala (como las 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 . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Las máquinas moleculares biológicas se conocen y estudian desde hace décadas debido a su papel vital en el mantenimiento de la vida, y han servido de inspiración para sistemas diseñados sintéticamente con funcionalidad útil similar. ^{[ 5 ] [ 6 ]} El advenimiento del análisis conformacional, o el estudio de conformeros 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 condujo al diseño de "máquinas protomoleculares" que presentan cambios conformacionales como el engranaje de los anillos aromáticos en los tripticenos . ^{[ 8 ]} Para 1980, los científicos podían lograr las conformaciones deseadas utilizando estímulos externos y utilizar esto para diferentes aplicaciones. Un ejemplo importante es el diseño de un éter corona fotorreactivo que contiene una unidad de azobenceno , que podía cambiar entre isómeros cis y trans al exponerse a la luz y, por lo tanto, ajustar las propiedades de unión de cationes del éter. ^{[ 9 ]} En su conferencia fundamental de 1959, « Hay mucho espacio en el fondo» , Richard Feynman aludió a la idea y las aplicaciones de los dispositivos moleculares diseñados artificialmente mediante la manipulación de la materia a nivel atómico. ^{[ 7 ]} Esto fue corroborado posteriormente por Eric Drexler durante la década de 1970, quien desarrolló ideas basadas en la nanotecnología molecular, como los «ensambladores» a nanoescala, ^{[ 10 ]} aunque su viabilidad fue cuestionada . ^{[ 11 ]}

Aunque estos eventos sirvieron de inspiración para el campo, el verdadero avance en los enfoques prácticos para sintetizar máquinas moleculares artificiales (MMA) tuvo lugar en 1991 con la invención de una "lanzadera molecular" por Sir Fraser Stoddart . ^{[ 12 ]} Partiendo del ensamblaje de moléculas mecánicamente enlazadas como catenanos y rotaxanos desarrollados por Jean-Pierre Sauvage a principios de la década de 1980, ^{[ 13 ] [ 14 ]} esta lanzadera presenta un rotaxano con un anillo que puede moverse a través 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. ^{[ 8 ]} En 1994, un diseño mejorado permitió controlar el movimiento del anillo mediante variación de pH o métodos electroquímicos , convirtiéndolo en el primer ejemplo de una MMA. Aquí los dos sitios de unión son una unidad de bencidina y una unidad de bifenol ; El anillo catiónico generalmente prefiere permanecer sobre el anillo de bencidina, pero se mueve hacia el grupo bifenol cuando la bencidina se protona a pH bajo o si se oxida electroquímicamente . ^{[ 15 ]} En 1998, un estudio pudo capturar el movimiento rotatorio de una molécula de decacicleno en una superficie metálica a base de cobre utilizando un microscopio de efecto túnel de barrido . ^{[ 16 ]} Durante la década siguiente, se inventó una amplia variedad de AMM que respondían a diversos estímulos para diferentes aplicaciones. ^{[ 17 ] [ 18 ]} En 2016, el Premio Nobel de Química fue otorgado a Sauvage, Stoddart y Bernard L. Feringa por el diseño y la síntesis de máquinas moleculares. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

En las últimas décadas, los AMM se han diversificado rápidamente y sus principios de diseño, ^{[ 4 ]} propiedades, ^{[ 21 ]} y métodos de caracterización ^{[ 22 ]} se han descrito con mayor claridad. Un punto de partida importante para el diseño de AMM es explotar los modos de movimiento existentes en las moléculas. ^{[ 4 ]} Por ejemplo, los enlaces simples pueden visualizarse como ejes de rotación, ^{[ 23 ]} al igual que los complejos metalocénicos . ^{[ 24 ]} Las formas curvas o en forma de V pueden lograrse incorporando enlaces dobles , que pueden sufrir isomerización cis-trans en respuesta a ciertos estímulos (típicamente irradiación con una longitud de onda adecuada ), como se observa en numerosos diseños que consisten en unidades de estilbeno y azobenceno. ^{[ 25 ]} De manera similar, las reacciones de apertura y cierre de anillo, como las observadas para el espiropirano y el diarileteno, también pueden producir formas curvas. ^{[ 26 ]} Otro modo común de movimiento es la circunrotación de anillos entre sí, como se observa en moléculas entrelazadas mecánicamente (principalmente catenanos). Si bien este tipo de rotación no puede ser accesible más allá de la propia molécula (porque los anillos están confinados entre sí), los rotaxanos pueden superar esto, ya que los anillos pueden experimentar movimientos de traslación a lo largo de un eje similar a una mancuerna. ^{[ 27 ]} Otra línea de AMM consiste en biomoléculas como ADN y proteínas como parte de su diseño, haciendo uso de fenómenos como el plegamiento y desplegamiento de proteínas . ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Los diseños de AMM se han diversificado significativamente desde los inicios del campo. Una vía principal es la introducción de la biestabilidad para producir interruptores moleculares, que presentan dos configuraciones distintas entre las que la molécula puede alternar. Esto se ha percibido como un paso adelante respecto al transbordador molecular original, que consistía en dos sitios idénticos entre los que el anillo podía moverse sin preferencia alguna, de manera análoga al giro del anillo en un ciclohexano no sustituido . Si estos dos sitios difieren entre sí en términos de características como la densidad electrónica , esto puede dar lugar a sitios de reconocimiento débiles o fuertes, como en los sistemas biológicos; estos AMM han encontrado aplicaciones en catálisis y administración de fármacos . Este comportamiento de conmutación se ha optimizado aún más para adquirir trabajo útil que se pierde cuando un interruptor típico vuelve a su estado original. Inspirados por el uso del control cinético para producir trabajo en procesos naturales, los motores moleculares están diseñados para tener un flujo continuo de energía que los mantenga alejados del equilibrio para entregar trabajo. ^{[ 4 ] [ 3 ]}

Actualmente se emplean diversas fuentes de energía para impulsar máquinas moleculares, pero este no era el caso durante los primeros años del desarrollo de las AMM. Aunque los movimientos en las AMM se regulaban 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 sensibles a estímulos en el diseño de las AMM, de modo que las fuentes de energía no térmicas aplicadas externamente pudieran impulsar el movimiento molecular y, por lo tanto, permitir el control sobre las propiedades. La energía química (o "combustibles químicos") fue una opción atractiva al principio, dada la amplia gama de reacciones químicas reversibles (basadas en gran medida en la química ácido-base ) para cambiar las moléculas entre diferentes estados. ^{[ 30 ]} Sin embargo, esto conlleva el problema de regular prácticamente el suministro del combustible químico y la eliminación de los desechos generados para mantener la eficiencia de la máquina como en los sistemas biológicos. Aunque algunas AMM han encontrado formas de sortear esto, ^{[ 31 ]} más recientemente las reacciones sin desechos, como las basadas en transferencias de electrones o isomerización, han ganado atención (como los viológenos sensibles a la oxidación-reducción ). Finalmente, varias formas diferentes de energía (eléctrica, ^{[ 32 ]} magnética, ^{[ 33 ]} óptica ^{[ 34 ]} y demás) se han convertido en las principales fuentes de energía utilizadas para alimentar los AMM, incluso produciendo sistemas autónomos como motores impulsados ​​por luz. ^{[ 35 ]}

Muchas máquinas macromoleculares se encuentran dentro de las células, a menudo en forma de complejos multiproteicos . ^{[ 80 ]} Ejemplos de máquinas biológicas incluyen proteínas motoras como la miosina , que es responsable de la contracción muscular , la kinesina , que mueve carga dentro de las células lejos del núcleo a lo largo de los microtúbulos , y la dineína , que mueve carga dentro de las células hacia el núcleo y produce el batido axonemal de los cilios y flagelos móviles . "[E]n efecto, el [cilio móvil] es una nanomáquina compuesta por quizás más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan independientemente como nanomáquinas ... Los conectores flexibles permiten que los dominios proteicos móviles conectados por ellos recluten a sus socios de unión e induzcan alostería de largo alcance a través de la dinámica del dominio proteico ." ^{[ 81 ]} 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 al de una turbina utilizado para sintetizar ATP , la moneda energética de una célula. ^{[ 82 ]} Otras máquinas son responsables de la expresión génica , incluyendo 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 . ^{[ 83 ]} Por ejemplo, podrían usarse para identificar y destruir células cancerosas. ^{[ 84 ] [ 85 ]} La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología con respecto a 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 muy por encima de las capacidades actuales. ^{[ 86 ]}

Los avances en esta área se ven limitados por la falta de métodos sintéticos. ^{[ 87 ]} En este contexto, el modelado teórico ha surgido como una herramienta fundamental para comprender los procesos de autoensamblaje o desensamblaje en estos sistemas. ^{[ 88 ] [ 89 ]}

Se han demostrado posibles aplicaciones para los AMM, incluyendo aquellos integrados en sistemas poliméricos , ^{[ 90 ] [ 91 ]} de cristal líquido , ^{[ 92 ] [ 93 ]} y cristalinos ^{[ 94 ] [ 95 ]} para diversas funciones. La catálisis homogénea es un ejemplo destacado, especialmente en áreas como la síntesis asimétrica , utilizando interacciones no covalentes y catálisis alostérica biomimética . ^{[ 96 ] [ 97 ]} Los AMM han sido fundamentales en el diseño de varios materiales inteligentes sensibles 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. ^{[ 98 ] [ 99 ]}

Los 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 unidos a superficies inorgánicas formando estructuras como monocapas autoensambladas; esto da lugar a propiedades ajustables como fluorescencia, agregación y actividad de liberación de fármacos. ^{[ 100 ]}

La mayoría de estas "aplicaciones" permanecen en la fase de prueba de concepto. Los desafíos para optimizar las aplicaciones a macroescala incluyen la operación autónoma, la complejidad de las máquinas, la estabilidad en la síntesis de las máquinas y las condiciones de trabajo. ^{[ 3 ] [ 101 ]}

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