Máquinas moleculares con accionamiento ligero
El equipo de investigación de Kiel construye los primeros nanorobots para la producción de moléculas
La idea de las máquinas moleculares ha sido discutida durante mucho tiempo en las nanociencias: Compuestos químicos artificiales capaces de realizar trabajos mecánicos. Estos "nanorobots" podrían, por ejemplo, transportar agentes médicos, reparar células defectuosas o medir temperaturas corporales que indican inflamación. Un equipo de investigación del Instituto de Química Orgánica de la Universidad Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ha logrado producir una molécula que puede producir moléculas por sí misma. Es impulsado por la luz UV. Los químicos utilizaron un principio basado en procesos de síntesis de la naturaleza como la producción de moléculas de ATP, el portador de energía universal de las células.
El problema de los dedos pegajosos
Ya en los años 80, el ingeniero Kim Eric Drexler tenía en mente la idea de las máquinas moleculares como los llamados "ensambladores" (del ensamblaje): deberían ser capaces de agarrar átomos individuales y colocarlos con precisión para construir estructuras moleculares complejas. En última instancia, podrían reproducirse a sí mismos, dice Drexler. Esta visión fue el comienzo de una intensa controversia científica: Los opositores que en principio no consideraban posible la construcción de tales nanorobots a partir de moléculas, presentaron esencialmente dos argumentos que se describen en la investigación como problemas de los "dedos gruesos y pegajosos". Según esto, un ensamblador tendría que tener incontables "dedos" en la nanoescala para poder agarrar y colocar los distintos átomos - pero simplemente no hay suficiente espacio. El principal obstáculo para estos "constructores de moléculas", sin embargo, es la dificultad, descrita como "dedos pegajosos", de liberar y asentar átomos una vez que han sido agarrados.
Sin embargo, los resultados de la investigación de los últimos años sugieren que el desarrollo de tales ensambladores es posible en principio. Rainer Herges, profesor de Química Orgánica y portavoz del Collaborative Research Center 677 "Function by Switching" de la CAU, está convencido de ello. "Después de todo, tales ensambladores moleculares ya existen en la naturaleza, por ejemplo en forma de ribosomas que producen proteínas en las células o para la síntesis de ATP, trifosfato de adenosina. El principio de estos procesos de síntesis bioquímica debería, por lo tanto, poder simularse artificialmente en el laboratorio", dijo Herges describiendo su enfoque. De esta manera, él y su equipo de investigación produjeron el primer ensamblador artificial que fue operado con luz UV.
La luz UV controla los procesos
Para ello, los científicos redujeron sistemáticamente la complejidad de los procesos biológicos hasta el punto de poder aplicarlos con métodos de química sintética. Trajeron a los socios de reacción, cuatro iones de vanadatos, muy cerca uno del otro y los unieron para formar un anillo. A través de una molécula ensambladora controlada por luz ultravioleta, desencadenaron un proceso de reacción en el que se forma una nueva molécula. Los científicos también pudieron resolver el "problema de los dedos pegajosos" con luz ultravioleta: Irradiada por la luz con una longitud de onda de 365 nanómetros, la forma exterior de la molécula ensambladora cambia. Sus extremos se comprimen como pinzas, el espacio interior se vuelve demasiado pequeño y se libera la nueva molécula. El equipo de investigación eligió la luz UV como fuente de energía externa porque es fácil de manejar y -a diferencia de la energía química- no se producen subproductos involuntarios.
Cambio de paradigma en la síntesis química
Según Herges, máquinas moleculares de funcionamiento similar que podrían, por ejemplo, convertir aminoácidos en proteínas podrían desencadenar un cambio de paradigma en los métodos de síntesis química con menos subproductos y procesos de síntesis más cortos. Además, el equipo de investigación de Kiel hace hincapié en que la energía de la molécula resultante es superior a la de los materiales de partida. "Aunque su producción es un desafío, los ensambladores moleculares podrían ser una nueva forma de convertir la energía de la luz en energía química a largo plazo", enfatiza Herges.
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