La maquinas moleculares que ganaron el Nobel de Química y sus potenciales aplicaciones

Los trabajos de Jean-Pierre Sauvage, de la Universidad de Estrasburgo, Fraser Stoddart, de la Universidad Northwestern, y Bernard Feringa, de la Universidad de Groninga,  acreedores del Premio Nobel de Química 2016, han sentado las bases para el diseño y la producción de máquinas moleculares que permitirán en las siguientes décadas diversas aplicaciones, ya que hasta el momento solo existen prototipos, destacó el doctor Jorge Peón Peralta, director del Instituto de Química de la UNAM.

Las máquinas moleculares por las que se entregó el Nobel de Química de este año están conformadas por un conjunto de átomos, del orden de 50, unidos por enlaces químicos. Estas moléculas, relativamente pequeñas, al absorber luz o ser estimuladas por una corriente eléctrica cambian de forma, lo que en química se conoce como isomerización.

“La isomerización consiste en que el conjunto de átomos que conforman a una molécula cambian de arreglo y con ello la forma de la molécula, esto tiene que ver con la energía que absorbieron, que generalmente se trata de luz. Un tiempo después de absorber la energía y cambiar de forma, las moléculas se relajan y vuelven a su forma original”.

Cuando los movimientos de estas máquinas moleculares son muy controlados, se logra que la molécula gire en una sola dirección.  Es decir, la molécula absorbe luz, cambia de forma y con ello una parte de la molécula se mueve en cierta dirección, y al regresar a su forma original continúa con el movimiento de rotación que comenzó al absorber la luz. Los rotores y los motores moleculares pueden servir para generar movimientos que cambien, por ejemplo, la estructura de las membranas celulares.

Además de las máquinas moleculares que rotan, se han desarrollado algunas que cambian de forma en un movimiento de apertura y cierre, como si los extremos de la molécula se alejaran entre sí y luego se volvieran a acercar. Estos movimientos de apertura y cierre, que pueden parecer sencillos, si se combinan con otro tipo de arquitecturas moleculares podrían inducir fenómenos a escala mayor que a unos cuantos átomos.

“El movimiento de apertura y cierre de una molécula podría funcionar para inducir cambios en moléculas más grandes como es el caso de las proteínas que están conformadas por decenas de miles de átomos. Y si además la proteína contiene un fármaco, es posible que el movimiento de la máquina molecular en la proteína permita la liberación del mismo”, explicó el doctor Peón Peralta, integrante de la Academia Mexicana de Ciencias.

El especialista en espectroscopia ultrarrápida de fluorescencia mencionó que las máquinas moleculares o arquitecturas moleculares son pequeñas, pero complejas, ya que los átomos tienen que estar conectados en el sitio indicado y con enlaces químicos de cierto tipo para que se den diversos cambios en las moléculas, la mayoría a través de su interacción con luz, y esto ha sido posible gracias a las aportaciones de los tres galardonados con el Nobel de Química 2016.

La investigación en México en este campo

En lo que se refiere al Instituto de Química de la UNAM, algunos investigadores trabajan en máquinas moleculares, tal es el caso del doctor Braulio Rodríguez Molina, quien genera prototipos de máquinas moleculares que se encuentran en un medio sólido, a diferencia de la mayoría de las máquinas moleculares desarrolladas por Sauvage, Stoddart y Feringa, que son moléculas que pueden estar moviéndose dentro de una célula.

Otra de las áreas es la liberación de compuestos, es decir, moléculas que cambian de forma cuando absorben luz. Se trata de una máquina molecular que desengancha una parte de sí misma. Esta es una de las líneas de investigación en la que trabaja el equipo del doctor Peón Peralta. “Lo hacemos a nivel sintético y de diseño molecular a través del uso de química computacional en donde se calculan las moléculas y cómo hacer para que cuando estas absorban luz liberen una parte de ellas; también hacemos observaciones en tiempo real de cómo suceden estos fenómenos con técnicas de pulsos de luz láser”.

En lo que se refiere a las contribuciones del doctor Bernard Feringa, quien presentó la conferencia “The Art of Building Small” en el marco del 75 aniversario del Instituto de Química, en abril pasado, una de ellas es lograr que algunas de las moléculas que construyó, que tienen “ruedas” y están dentro de un ambiente celular, roten en un solo sentido, lo que tiene que ver con el manejo del concepto de la simetría de las moléculas.

Cuando se sintetiza una molécula en ocasiones se genera otra molécula con la misma composición, pero como si se tuviera la imagen de la molécula a través de un espejo —lo que está a la derecha queda a la izquierda y viceversa—, estas dos moléculas no se superponen —lo mismo sucede con la mano derecha e izquierda —; sin embargo, cuando se controla químicamente la simetría de las moléculas el producto de la síntesis es solo una de las formas, y con esta pérdida de simetría se puede generar que el giro de la molécula sea en una sola dirección.