En el camino hacia los materiales de tipo celular
Los físicos descifran la interacción dinámica entre las máquinas moleculares en los marcos metal-orgánicos
Las máquinas moleculares controlan un número considerable de procesos fundamentales en la naturaleza. Integradas en un entorno celular, estos procesos desempeñan un papel fundamental en el transporte intracelular e intercelular de moléculas, así como en la contracción muscular en humanos y animales. Para que todo el organismo funcione, es esencial una orientación y disposición bien definidas de las máquinas moleculares. Por ejemplo, el encaje específico de las proteínas motoras -que forman una clase de máquinas biomoleculares- permite que se produzca una interacción dinámica entre las innumerables proteínas. Como resultado, el movimiento a nivel molecular se amplifica y transfiere a través de varias magnitudes hasta el nivel macroscópico.
Incrustación de la "lanzadera molecular" en la estructura metal-orgánica: representación esquemática de la lanzadera molecular (círculo amarillo), junto con su estructura molecular (círculo marrón) y su incrustación en la estructura periódica (círculo violeta).
Copyright: Kolodzeiski/Amirjalayer
Inspirado en estos sistemas biológicos, el desarrollo de materiales de tipo celular basados en máquinas moleculares artificiales es un campo de investigación actual. Para utilizar la cooperatividad molecular de estas máquinas en los materiales correspondientes, específicamente para aplicaciones en la ciencia de los materiales o la medicina, es decisiva una comprensión detallada tanto de la incrustación molecular en una matriz como de las interacciones intermoleculares. Elena Kolodzeiski y el Dr. Saeed Amirjalayer, del Instituto de Física de la Universidad de Münster, son los primeros en revelar con éxito la interacción dinámica de una clase de máquinas moleculares artificiales -las llamadas lanzaderas moleculares- mediante simulaciones de dinámica molecular. El estudio se ha publicado en la revista "Science Advances".
Las lanzaderas moleculares se construyen a partir de moléculas con forma de mancuerna y anillo que se unen entre sí mediante enlaces mecánicos. "Este enlace mecánico a nivel molecular hace que el anillo pueda moverse de forma dirigida de un lado a otro a lo largo del eje. Este movimiento pendular específico ya se ha utilizado para desarrollar máquinas moleculares", explica Amirjalayer, que ha dirigido el estudio y se ha trasladado recientemente al Instituto de Teoría del Estado Sólido de la Universidad de Münster. A partir de ahí, investigadores de todo el mundo trabajan en un uso específico de estas máquinas moleculares en materiales funcionales. Los marcos metal-orgánicos, que se ensamblan de forma modular mediante unidades de construcción orgánicas e inorgánicas, se muestran como una matriz prometedora para incrustar estas moléculas mecánicamente interconectadas en estructuras de tipo celular. Aunque en los últimos años se han sintetizado una serie de estos sistemas, se carece de una comprensión fundamental de los procesos dinámicos en estos materiales.
"Nuestro estudio proporciona una visión detallada de cómo funcionan e interactúan las máquinas incrustadas", afirma la autora principal, Elena Kolodzeiski. "Al mismo tiempo, hemos podido derivar parámetros que permiten variar el tipo de movimiento de las lanzaderas moleculares dentro de los marcos metal-orgánicos". Un control selectivo de la dinámica ofrece posibilidades prometedoras para influir en las propiedades de transporte de las moléculas en las membranas o para coordinar procesos catalíticos. Los investigadores esperan que sus simulaciones de dinámica molecular sean la base de nuevos tipos de materiales para aplicaciones catalíticas y médicas. La eficacia de estos materiales queda demostrada por las diversas funcionalidades de las máquinas moleculares de las células biológicas.
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