Pinzas nanométricas para cambiar la estructura de las moléculas

Para que tú puedas leer este artículo, y yo escribirlo, dentro de nuestro cuerpo se producen multitud de reacciones químicas tan complejas que llevarlas a cabo en el laboratorio es todo un reto. Incluso las reacciones que puedan parecer más sencillas resultan complicadas de controlar: la comunidad química lleva desde el siglo XIX intentando diseñar maneras de manipular moléculas individuales, y los tímidos éxitos logrados hasta la fecha llegaron a reconocerse con el Premio Nobel de Química en 2016. Ahora, una investigación con participación española ha logrado transformar unas moléculas en otras con una precisión nunca vista.

Las moléculas que constituyen nuestro cuerpo (y todos los objetos a nuestro alrededor) no son más que unos cuantos átomos unidos mediante enlaces, formando una estructura tridimensional. Cambiar la disposición de los enlaces basta para crear una nueva molécula, pero su pequeñísimo tamaño hace que sea muy difícil transformar una molécula en otra de manera artificial. Sin embargo, la naturaleza sí tiene maneras de hacerlo. Estás “máquinas moleculares” están detrás de la replicación del ADN (un proceso clave para nuestra supervivencia), en las proteínas que permiten que se contraigan nuestros músculos y en multitud de procesos dentro de los organismos vivos.

Nobel de Química

Los ganadores del Nobel de Química de 2016, Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa, consiguieron verdaderas virguerías en miniatura: lograron unir dos moléculas para formar una sola, provocaron que una molécula en forma de anillo rotara alrededor de otra y hasta fabricaron un ascensor molecular capaz de subir una distancia de 0,7 nanómetros (10 000 veces menor que el grosor de un cabello humano) y un motor molecular capaz de rotar siempre en la misma dirección. Incluso barajaban la posibilidad de construir transistores moleculares mucho más pequeños que los que contiene nuestro teléfono móvil, con el potencial de causar una revolución informática comparable a la que trajo el desarrollo de transistores de silicio.

Si fuera posible ir más allá e imitar de manera artificial los mecanismos que tiene la naturaleza para transformar unas moléculas en otras, el potencial podría ser enorme. “Podemos imaginar aplicaciones ambiciosas como el desarrollo de máquinas moleculares que en nuestro cuerpo busquen y neutralicen células tumorales”, aventura Diego Peña, investigador principal en el Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) de la Universidad de Santiago de Compostela y coautor del estudio. Sin embargo, “por ahora eso forma parte de la ciencia ficción”, admite Peña.

Controlar moléculas individuales

Quizá sea más razonable esperar que las máquinas moleculares puedan servir para transportar moléculas o para favorecer reacciones químicas imitando la función de las enzimas en los organismos. Pero el reto de crear y romper enlaces dentro de una molécula es enorme, hasta el punto de que “hasta el momento no existen aplicaciones concretas de las máquinas moleculares artificiales, básicamente porque no tenemos el suficiente control sobre moléculas individuales”, explica Peña. La nueva investigación arroja un rayo de luz en esta dirección.

El estudio, resultado de una colaboración entre el CiQUS, IBM Research (Suiza), King Abdullah University of Science and Technology (Arabia Saudí) y la Universität Regensburg (Alemania), logra reconectar los enlaces entre los átomos de una molécula de manera muy precisa. Se utilizó la punta de un microscopio de efecto túnel (STM) para aplicar diversos pulsos eléctricos sobre una molécula formada por cuatro anillos de carbono. Así fue como se consiguió cambiar la estructura de estos anillos con la mayor precisión hasta la fecha. “Es como si dispusiésemos de pinzas nanométricas del tamaño de las moléculas”, compara Peña.

Hacia máquinas moleculares más complejas

Estas “pinzas” permiten reconfigurar los enlaces de las moléculas individuales a voluntad y de manera reversible, y el equipo investigador espera que la nueva herramienta permita crear máquinas moleculares con tareas y funciones más complejas que las que existen actualmente. Las máquinas actuales solo permiten cambiar la disposición de los átomos en el espacio, pero la nueva técnica logra además controlar exactamente cómo están conectados estos átomos entre sí. Peña destaca que “el control sobre moléculas individuales mediante estímulos externos y cómo ensamblar átomos a demanda es algo que hasta ahora no se había conseguido en moléculas individuales”. El estudio se publica en portada de la revista Science, una de las de mayor renombre a nivel mundial.

Para manipular las moléculas con este nivel de precisión se ha necesitado aislarlas al máximo, situándolas en un entorno donde la presión es casi nula y a una temperatura cercana al cero absoluto. Solo así ha sido posible utilizar la punta del microscopio STM con éxito. El siguiente paso será tratar de desencadenar las reacciones a través de estímulos más generales que requieran de condiciones menos extremas. Para ello contemplan utilizar la luz o la transferencia de electrones entre las partes de una misma molécula. “Es quizás un poco pronto para las aplicaciones”, recuerda Peña, pero el equipo espera que estos nuevos avances permitan explorar nuevos usos para las máquinas moleculares: “Al final, toda investigación aplicada tiene detrás mucha investigación básica”, resume Peña.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Hay muchos otros ejemplos en los que la comunidad científica trata de emular a la naturaleza, incluso de manera más cercana que en este estudio. De hecho hay todo un campo, la biomímesis, enfocado a imitar los modelos, sistemas y elementos de la naturaleza para resolver problemas complejos. Ya se fabrican alas de avión inspiradas en las de las aves, trenes tan aerodinámicos como el pico del martín pescador o edificios construidos como un termitero para mantener una temperatura interior constante en un entorno de temperatura muy variable con un gasto energético reducido.

REFERENCIAS (MLA):

• Albrecht, Florian, et al. “Selectivity in single-molecule reactions by tip-induced redox chemistry”. Science, https://doi.org/10.1126/science.abo6471
• Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2016. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022.https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2016/press-release/