Una máquina molecular , nanito o nanomáquina [1] es un componente molecular que produce movimientos cuasi-mecánicos (salida) en respuesta a estímulos específicos (entrada). [2] [3] En biología celular , las máquinas macromoleculares con frecuencia realizan tareas esenciales para la vida, como la replicación del ADN y la síntesis de ATP . La expresión a menudo se aplica de manera más general a moléculas que simplemente imitan funciones que ocurren a nivel macroscópico. El término también es común en nanotecnología donde se han propuesto una serie de máquinas moleculares altamente complejas que tienen como objetivo el objetivo de construir unensamblador molecular . [4] [5]
Durante las últimas décadas, tanto químicos como físicos han intentado, con diversos grados de éxito, miniaturizar las máquinas que se encuentran en el mundo macroscópico. Las máquinas moleculares están a la vanguardia de la investigación en biología celular. El Premio Nobel de Química 2016 fue otorgado a Jean-Pierre Sauvage , Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa por el diseño y síntesis de máquinas moleculares. [6] [7]
Tipos
Las máquinas moleculares se pueden dividir en dos amplias categorías; artificial y biológico. En general, las máquinas moleculares artificiales (AMM) se refieren a moléculas diseñadas y sintetizadas artificialmente, mientras que las máquinas moleculares biológicas se pueden encontrar comúnmente en la naturaleza y han evolucionado a sus formas después de la abiogénesis en la Tierra. [8]
Artificial
Los químicos han sintetizado una amplia variedad de máquinas moleculares artificiales (AMM) que son bastante simples y pequeñas en comparación con las máquinas moleculares biológicas. [8] El primer AMM, un transbordador molecular , fue sintetizado por Sir J. Fraser Stoddart . [9] Una lanzadera molecular es una molécula de rotaxano en la que un anillo se enclava mecánicamente en un eje con dos tapones voluminosos. El anillo puede moverse entre dos sitios de unión con varios estímulos como luz, pH, disolventes e iones. [10] Como señalaron los autores de este artículo de JACS de 1991 : "En la medida en que sea posible controlar el movimiento de un componente molecular con respecto al otro en un [2] rotaxano, surgirá la tecnología para construir máquinas moleculares", mecánicamente Las arquitecturas moleculares entrelazadas encabezaron el diseño y la síntesis de AMM ya que proporcionan movimiento molecular dirigido. [11] En la actualidad, existe una amplia variedad de AMM que se enumeran a continuación.
Motores moleculares
Los motores moleculares son moléculas que son capaces de realizar un movimiento giratorio direccional alrededor de un enlace simple o doble. [12] [13] [14] [15] Los motores rotativos de enlace simple [16] generalmente se activan mediante reacciones químicas, mientras que los motores rotativos de enlace doble [17] generalmente son alimentados por luz. La velocidad de rotación del motor también se puede ajustar mediante un cuidadoso diseño molecular. [18] También se han producido nanomotores de nanotubos de carbono . [19]
Hélice molecular
Una hélice molecular es una molécula que puede propulsar fluidos cuando se gira, debido a su forma especial que está diseñada en analogía a las hélices macroscópicas. [20] [21] Tiene varias hojas de escala molecular unidas en un cierto ángulo de inclinación alrededor de la circunferencia de un eje a nanoescala. Ver también giroscopio molecular .
Interruptor molecular
Un interruptor molecular es una molécula que se puede cambiar de forma reversible entre dos o más estados estables. [22] Las moléculas pueden cambiar entre los estados en respuesta a cambios en el pH, la luz ( fotointerruptor ), la temperatura, una corriente eléctrica, un microambiente o la presencia de un ligando. [22] [23] [24]
Lanzadera molecular
Un transbordador molecular es una molécula capaz de transportar moléculas o iones de un lugar a otro. [25] Un transbordador molecular común consiste en un rotaxano donde el macrociclo puede moverse entre dos sitios o estaciones a lo largo de la columna vertebral de la mancuerna. [25] [9] [26]
Nanocar
Los nanocoches son vehículos de una sola molécula que se asemejan a los automóviles macroscópicos y son importantes para comprender cómo controlar la difusión molecular en las superficies. Los primeros nanocoches fueron sintetizados por James M. Tour en 2005. Tenían un chasis en forma de H y 4 ruedas moleculares ( fullerenos ) unidas a las cuatro esquinas. [27] En 2011, Ben Feringa y sus colaboradores sintetizaron el primer nanocoche motorizado que tenía motores moleculares unidos al chasis como ruedas giratorias. [28] Los autores pudieron demostrar el movimiento direccional del nanocoche sobre una superficie de cobre al proporcionar energía desde la punta de un microscopio de efecto túnel. Más tarde, en 2017, tuvo lugar en Toulouse la primera carrera de Nanocar del mundo .
Equilibrio molecular
Un equilibrio molecular [29] [30] es una molécula que puede interconvertirse entre dos o más estados conformacionales o configuracionales en respuesta a la dinámica de múltiples fuerzas impulsoras intra e intermoleculares, como enlaces de hidrógeno , efectos solvofóbicos / hidrofóbicos, [31] interacciones π , [32] e interacciones estéricas y de dispersión. [33] Los balances moleculares pueden ser moléculas pequeñas o macromoléculas como proteínas. Las proteínas plegadas cooperativamente, por ejemplo, se han utilizado como balances moleculares para medir las energías de interacción y las propensiones conformacionales. [34]
Pinzas moleculares
Las pinzas moleculares son moléculas huésped capaces de sujetar objetos entre sus dos brazos. [35] La cavidad abierta de las pinzas moleculares une elementos mediante enlaces no covalentes, incluidos enlaces de hidrógeno, coordinación de metales, fuerzas hidrófobas, fuerzas de van der Waals , interacciones π o efectos electrostáticos. [36] Se ha informado de ejemplos de pinzas moleculares que se construyen a partir de ADN y se consideran máquinas de ADN . [37]
Sensor molecular
Un sensor molecular es una molécula que interactúa con un analito para producir un cambio detectable. [38] [39] Los sensores moleculares combinan el reconocimiento molecular con alguna forma de indicador, por lo que se puede observar la presencia del elemento.
Puerta lógica molecular
Una puerta lógica molecular es una molécula que realiza una operación lógica en una o más entradas lógicas y produce una única salida lógica. [40] [41] A diferencia de un sensor molecular, la puerta lógica molecular solo generará una salida cuando esté presente una combinación particular de entradas.
Ensamblador molecular
Un ensamblador molecular es una máquina molecular capaz de guiar reacciones químicas colocando moléculas reactivas con precisión. [42] [43] [44] [45] [46]
Bisagra molecular
Una bisagra molecular es una molécula que puede cambiarse selectivamente de una configuración a otra de forma reversible. [47] Tales configuraciones deben tener geometrías distinguibles; por ejemplo, los grupos azobenceno en una molécula lineal pueden sufrir isomerizaciones cis - trans [48] cuando se irradian con luz ultravioleta, lo que desencadena una transición reversible a una conformación doblada o en forma de V. [49] [50] [51] [52] Las bisagras moleculares generalmente giran en un movimiento similar a una manivela alrededor de un eje rígido, como un doble enlace o un anillo aromático. [53] Sin embargo, también se han sintetizado bisagras moleculares macrocíclicas con mecanismos más similares a abrazaderas . [54] [55] [56]
Biológico
Las máquinas macromoleculares más complejas se encuentran dentro de las células, a menudo en forma de complejos de múltiples proteínas . [57] Ejemplos importantes de máquinas biológicas incluyen proteínas motoras como la miosina , que es responsable de la contracción muscular , la kinesina , que mueve la carga dentro de las células lejos del núcleo a lo largo de los microtúbulos , y la dineína , que mueve la carga dentro de las células hacia el núcleo y produce el latido axonemal de cilios móviles y flagelos . "[En] efecto, el [cilio móvil] es una nanomáquina compuesta de quizás más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan de forma independiente como nanomáquinas ... Los enlazadores flexibles permiten que los dominios de proteínas móviles conectados por ellos recluten su unión socios e inducir alosterio de largo alcance a través de la dinámica de dominio de proteínas ". [1] Otras máquinas biológicas son responsables de la producción de energía, por ejemplo, la ATP sintasa, que aprovecha la energía de los gradientes de protones a través de las membranas para impulsar un movimiento similar a una turbina que se utiliza para sintetizar ATP , la moneda de energía de una célula. [58] Otras máquinas son responsables de la expresión genética , incluidas las ADN polimerasas para replicar el ADN, las ARN polimerasas para producir ARNm , el espliceosoma para eliminar intrones y el ribosoma para sintetizar proteínas . Estas máquinas y su dinámica a nanoescala son mucho más complejas que cualquier máquina molecular que haya sido construida artificialmente. [59]
Estas máquinas biológicas podrían tener aplicaciones en nanomedicina . Por ejemplo, [60] podrían usarse para identificar y destruir células cancerosas. [61] [62] La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología con respecto a la posibilidad de diseñar ensambladores moleculares , máquinas biológicas que podrían reordenar la materia a escala molecular o atómica. La nanomedicina haría uso de estos nanorobots , introducidos en el cuerpo, para reparar o detectar daños e infecciones. La nanotecnología molecular es altamente teórica, y busca anticipar qué inventos podría producir la nanotecnología y proponer una agenda para futuras investigaciones. Los elementos propuestos de la nanotecnología molecular, como los ensambladores moleculares y los nanorobots, están mucho más allá de las capacidades actuales. [63] [64]
Investigar
La construcción de máquinas moleculares más complejas es un área activa de investigación teórica y experimental. Se han diseñado varias moléculas, como hélices moleculares, aunque los estudios experimentales de estas moléculas se ven inhibidos por la falta de métodos para construir estas moléculas. [65] En este contexto, el modelado teórico puede ser extremadamente útil [66] para comprender los procesos de autoensamblaje / desensamblaje de los rotaxanos, importantes para la construcción de máquinas moleculares alimentadas por luz. [67] Este conocimiento a nivel molecular puede fomentar la realización de máquinas moleculares cada vez más complejas, versátiles y eficaces para las áreas de la nanotecnología, incluidos los ensambladores moleculares.
Aunque actualmente no es factible, algunas aplicaciones potenciales de las máquinas moleculares son el transporte a nivel molecular, la manipulación de nanoestructuras y sistemas químicos, el procesamiento de información de estado sólido de alta densidad y las prótesis moleculares. [68] Es necesario superar muchos desafíos fundamentales antes de que las máquinas moleculares se puedan utilizar en la práctica, como el funcionamiento autónomo, la complejidad de las máquinas, la estabilidad en la síntesis de las máquinas y las condiciones de trabajo. [8]
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