Control de la materia a nivel atómico: avance de la Universidad de Bath
Los físicos están cada vez más cerca de controlar las reacciones químicas de una sola molécula. ¿Podría esto dar forma al futuro de la investigación farmacéutica?
El control de la materia a nivel atómico ha dado un gran paso adelante gracias a las revolucionarias investigaciones nanotecnológicas de un equipo internacional de científicos dirigido por físicos de la Universidad de Bath.
Representación artística de un microscopio de efecto túnel que sondea una molécula de tolueno.
Dr Kristina Rusimova, Hannah Martin and Pieter Keenan
Este avance tiene profundas implicaciones para la comprensión científica fundamental. También es probable que tenga importantes aplicaciones prácticas, como transformar el modo en que los investigadores desarrollan nuevos medicamentos.
Controlar las reacciones de una molécula con un único resultado es ya casi rutinario en los laboratorios de investigación de todo el mundo. Por ejemplo, hace más de una década, investigadores del gigante tecnológico IBM exhibieron su capacidad para manipular átomos individuales creando Un niño y su átomo, la película más pequeña del mundo. En la película, moléculas individuales, formadas por dos átomos unidos entre sí, se ampliaron 100 millones de veces y se colocaron fotograma a fotograma para contar una historia en stop-motion a escala atómica.
Sin embargo, hasta ahora ha sido difícil controlar reacciones químicas con múltiples resultados. Esto es importante porque, por lo general, sólo algunos de los resultados de una reacción química son útiles.
Por ejemplo, durante la síntesis de un fármaco, un proceso químico que da lugar a la "ciclización" produce el compuesto terapéutico deseado, pero la "polimerización", otro resultado, da lugar a subproductos no deseados.
La capacidad de controlar con precisión las reacciones para favorecer los resultados deseados y reducir los subproductos indeseados promete mejorar la eficacia y sostenibilidad de los procesos farmacéuticos.
Microscopía de efecto túnel
El nuevo estudio, publicado en la revista Nature Communications, se propuso demostrar por primera vez que es posible influir en los resultados de reacciones químicas contrapuestas utilizando la resolución atómica de un microscopio de efecto túnel (STM).
Los microscopios convencionales utilizan luz y lentes para ampliar las muestras, lo que nos permite verlas a simple vista o con una cámara. Sin embargo, cuando se trata de átomos y moléculas, que son más pequeños incluso que las longitudes de onda más cortas de la luz visible, los métodos tradicionales se quedan cortos.
Para explorar estos reinos diminutos, los científicos recurren al microscopio de efecto túnel, que funciona de forma muy parecida a un tocadiscos.
Con una punta que puede ser tan fina como un átomo, los microscopios de efecto túnel se desplazan por la superficie de un material y miden propiedades como la corriente eléctrica para cartografiar cada punto. Sin embargo, en lugar de presionar la punta contra la superficie, como la aguja de un tocadiscos, la punta se sitúa a un átomo de distancia de la superficie.
Cuando se conecta a una fuente de energía, los electrones descienden por la punta y dan un salto cuántico a través del espacio del tamaño de un átomo. Cuanto más cerca está la punta de la superficie, más fuerte es la corriente; cuanto más lejos, más débil. Esta relación bien definida entre la distancia de la punta y la corriente permite al microscopio medir y cartografiar la superficie del átomo o la molécula en función de la intensidad de la corriente eléctrica. A medida que la punta recorre la superficie, construye una imagen precisa, línea a línea, de la superficie, revelando detalles invisibles para los microscopios ópticos convencionales.
Reacciones de una sola molécula
Gracias a la precisión atómica de un microscopio de efecto túnel, los científicos pueden ir más allá de cartografiar la superficie de una molécula: pueden reposicionar átomos y moléculas individuales, e influir y medir la probabilidad de vías de reacción específicas en moléculas individuales.
La Dra. Kristina Rusimova, que dirigió el estudio, explicó lo siguiente: "Normalmente, la tecnología STM se emplea para reposicionar átomos y moléculas individuales, lo que permite interacciones químicas específicas, pero la capacidad de dirigir reacciones con resultados contrapuestos sigue siendo un reto. Estos resultados diferentes se producen con ciertas probabilidades regidas por la mecánica cuántica, algo así como lanzar un dado molecular.
"Nuestras últimas investigaciones demuestran que el STM puede controlar la probabilidad de los resultados de las reacciones manipulando selectivamente los estados de carga y las resonancias específicas mediante la inyección de energía dirigida".
En palabras del Dr. Peter Sloan, profesor titular del Departamento de Física y coautor del estudio: Utilizamos la punta del STM para inyectar electrones en moléculas de tolueno, provocando la ruptura de enlaces químicos y su desplazamiento a un lugar cercano o su desorción".
"Descubrimos que la relación entre estos dos resultados estaba controlada por la energía de los electrones inyectados. Esta dependencia energética nos permitió controlar la probabilidad de cada reacción mediante el "calentamiento" selectivo de un estado molecular intermedio, guiado por umbrales energéticos y barreras moleculares precisos".
Pieter Keenan, estudiante de doctorado y primer autor de la publicación, explica: La clave estaba en mantener unas condiciones iniciales idénticas para las reacciones de prueba (coincidencia precisa del lugar de inyección y el estado de excitación) y, a continuación, variar los resultados en función únicamente de la energía de los electrones inyectados".
"En la respuesta de una sola molécula a la entrada de energía, las distintas barreras de reacción determinan las probabilidades de resultado de la reacción. Alterar únicamente la entrada de energía nos permite, con gran precisión, hacer que un resultado de reacción sea más probable que otro; de este modo podemos 'cargar los dados moleculares'".
El profesor Tillmann Klamroth, de la Universidad de Potsdam (Alemania), añadió: "Este estudio combina la modelización teórica avanzada con la precisión experimental, lo que nos lleva a una comprensión pionera de las probabilidades de las reacciones basada en el panorama energético molecular. Esto allana el camino para nuevos avances en nanotecnología".
De cara al futuro, la Dra. Rusimova afirmó "Con aplicaciones tanto en ciencia básica como aplicada, este avance representa un paso importante hacia sistemas moleculares totalmente programables. Esperamos que técnicas como ésta abran nuevas fronteras en la fabricación molecular, abriendo las puertas a innovaciones en medicina, energías limpias y otros campos".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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