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Construyendo máquinas con nanolegos moleculares: Premio Nobel de Química 2016

Autor
Categoría
Química
Tecnología
Ciencia
Fecha de Publicación
2016/10/07
Temas
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¬ęEl premio Nobel 2016 de qu√≠mica¬†fue entregado por la Real Academia Sueca de Ciencias a Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa, por el desarrollo de m√°quinas moleculares miles de veces m√°s peque√Īas que un cabello¬Ľ [1-3].

Humanos, sacando ideas de la naturaleza desde siempre.

Los seres humanos muchas veces demostramos capacidades de desarrollo en ciertas disciplinas que alcanzan l√≠mites opuestos. Algunos compiten por construir cosas cada vez m√°s grandes, como telescopios que nos permitan observar los cuerpos m√°s lejanos. En otros casos, se obsesionan por desarrollar cosas tan peque√Īas que ni siquiera podr√≠an verse a simple vista, pero que son lo suficientemente poderosas para moverse aut√≥nomamente y lo suficientemente programables como para para cumplir funciones complejas.
Qué elegancia, maestro. Acá la charla completa.
Y dentro de este marco es donde comenz√≥ esta historia. En la d√©cada de 1950, un ganador del Nobel, el c√©lebre Richard Feynman (<3), se hizo la siguiente pregunta: ¬Ņqu√© tan peque√Īa puede ser una m√°quina? √Čl ya predec√≠a que alguna vez se lograr√≠a el desarrollo de lo que hoy conocemos como nanotecnolog√≠a. Pero su mente funcionaba m√°s r√°pido que la tecnolog√≠a de la √©poca, por lo que tendr√≠an que pasar un par de d√©cadas antes de que su predicci√≥n se hiciera realidad.
En 1984, con los pies descalzos y luciendo un look UDI casual/uniforme talquino (polera polo rosada y unos shorts color beige), Feynman, durante una visionaria charla, mir√≥ a su audiencia y dijo: ¬ęAhora les hablar√© sobre la posibilidad de hacer m√°quinas con partes movibles, pero muy, muy peque√Īas¬Ľ.
Sin hacer caso a sus colegas que lo consideraban chalado, √©l segu√≠a convencido de que era posible construir verdaderas maquinarias, pero a una escala a nanom√©trica (hay que pensar que 1 nan√≥metro son 0,000000001 metros, es decir la mil√©sima parte de la mil√©sima parte de la mil√©sima parte de un metro). Esta visi√≥n la tomaba de algo que s√≠ conoc√≠amos en la naturaleza: m√°s de alguna vez le habr√°n contado o, si tiene suerte, habr√° visto que existen organismos microsc√≥picos que tienen funciones mec√°nicas complejas. Ejemplos hay varios. Una bacteria es un organismo unicelular capaz de mover sus flagelos para darle direcci√≥n a su desplazamiento, ya sea para buscar nutrientes o calor o para alejarse de ambientes hostiles para su desarrollo. Las larvas planct√≥nicas son un poco m√°s grandes. Incluso las fases microsc√≥picas, estadios previos de muchos organismos marinos, son verdaderas m√°quinas: poseen sensores de temperatura, presi√≥n, salinidad y son capaces, por lo tanto, de percibir cambios en el ambiente, encontrar las condiciones propicias e incluso mantenerse en ciertos lugares a pesar de las corrientes. Es decir, esto existe en la naturaleza. Lo hemos visto, pero, ¬Ņseremos capaces de recrearlo?,¬†¬ŅSomos capaces de crear y controlar m√°quinas tan peque√Īas que necesiten un microscopio muy potente para poder verlas?
(#SpoilerAlert: S√ć)
Lo primero que se deb√≠a¬†resolver era c√≥mo poder construir algo tan peque√Īo usando manos tan grandes. ¬ŅConstruyendo manos peque√Īas, tan peque√Īas como las nanom√°quinas? Pero, ¬Ņc√≥mo construimos esas manos peque√Īas? ¬ŅCon otras manos peque√Īas?
Otra opci√≥n era construirlas ¬ędesde abajo hacia arriba¬Ľ. Feyman ve√≠a, en su mente, la posible construcci√≥n a partir de diferentes sustancias. El silicio, por ejemplo,¬†se pulveriza en una superficie un √°tomo tras otro. Luego, algunas capas son parcialmente disueltas y posteriormente removidas, lo que crea partes m√≥viles que podr√≠an ser controladas por una corriente el√©ctrica. Esta era la teor√≠a para elaborar un peque√Īo obturador √≥ptico para algo as√≠ como una micro c√°mara.
Lo que Feynman no sabía, ni los investigadores que escuchaban su charla, era que en ese momento el primer paso para las maquinarias moleculares ya había comenzado, aunque de una manera distinta a cómo él la imaginaba.

Moléculas a control remoto

A mediados del siglo XX, los esfuerzos estaban centrados en construir mol√©culas cada vez m√°s avanzadas, capaces de producir cadenas moleculares en donde algunas mol√©culas con forma de anillo se pudieran unir entre s√≠ (algo as√≠ como los anillos ol√≠mpicos). La persona que logr√≥ esto no s√≥lo ten√≠a en sus manos un nuevo tipo de mol√©cula, sino un nuevo tipo de enlace qu√≠mico.¬†De las clases de qu√≠mica del colegio recordamos (?)¬†que¬†las mol√©culas normalmente se unen entre s√≠ mediante enlaces covalentes, en donde los √°tomos comparten electrones. Entonces, el objetivo era crear un nuevo tipo de enlace mec√°nico, en donde las mol√©culas se vayan entrelazando sin que los √°tomos interact√ļen directamente.
Como muchos descubrimientos en investigación científica, la inspiración llegó desde un campo completamente distinto. El químico francés, Jean-Pierre Sauvage trabajaba en un campo llamado fotoquímica, en donde se desarrollan moléculas complejas que pueden capturar la energía de los rayos del sol y utilizarla para poder ejecutar reacciones químicas. Luego de construir uno de estos modelos, Sauvage se dio cuenta de que éste era muy similar a una cadena molecular, es decir, dos moléculas entrelazadas sobre un ion de cobre al centro.
Usando este principio, y luego de d√©cadas de desarrollo, el mayor avance se produjo en 1983 (¬°un a√Īo antes de la charla de Feynman!), cuando Sauvage y su equipo, usando estos iones de cobre, pudieron literalmente tomar control de las mol√©culas.
Utilizando un ion de cobre como ¬ępegamento¬Ľ, lograron unir tres¬†mol√©culas en forma de anillo. Al retirar el ion de cobre, las mol√©culas siguen unidas, pero con libertad de movimiento.
Con la ayuda de este método revolucionario, Sauvage revitalizó la química topológica, en donde los investigadores (usando iones metálicos) son capaces de crear moléculas ligadas en estructuras cada vez más complejas, desde simples cadenas a verdaderos nudos moleculares.
Estos científicos lograron darse el lujo, casi solo por diversión, de crear sus propias versiones moleculares de un nudo de trébol (a), un nudo de salomón (b) y nudos borromeos (c). La pasan muy bien los químicos (nunca nos olvidaremos del primer capítulo de Breaking Bad, cuando Walter White hacía cambiar el color de las llamas ante una clase llena de adolescentes que lo ignoraban, sin respeto).

Motores moleculares

Perfecto, somos capaces de controlar mol√©culas. Pero, ¬Ņpodemos ir m√°s all√°?
J. Francis Stoddart naci√≥ en Escocia en 1942. No ten√≠a ni televisi√≥n ni menos un computador cuando era ni√Īo [4]. Ocup√≥ todo ese tiempo libre que le quedaba en lo que cualquier ni√Īo hubiese hecho ante tales carencias (?): armar rompecabezas, reconocer formas y hacerlas calzar entre s√≠. Luego us√≥ este talento para hacer lo que cualquier humano en su sano juicio har√≠a: estudiar qu√≠mica (?). Y no err√≥ el camino: todas estas habilidades lo convirtieron en un verdadero maestro¬†molecular [5].
Stoddart logró, en 1991, insertar y mover un anillo a lo largo de un eje molecular delgado. El anillo se mantuvo en movimiento en este eje gracias a la acción de grupos de electrones complementarios que los mantenía unidos, pero con suficiente libertad como para que existiera movimiento [6].
Movimento de A-Roxatanos
Cuando Stoddart agreg√≥ calor al sistema, excit√≥ los electrones en varios puntos, cambiando as√≠ la direcci√≥n del movimiento del anillo molecular: esto sent√≥ las bases para dispositivos como un ascensor molecular, que sube y baja 0.7 nan√≥metros¬†[7-8] o un m√ļsculo molecular, que se expande y contrae, en el a√Īo 2005. Ambos usan esta mol√©culas, a las que llamaron A-Rotaxanos.
Pero el mayor avance lleg√≥ en 1999 de la mano del qu√≠mico alem√°n Ben Feringa. Utilizando la idea de la energ√≠a a√Īadida (mediante luz ultravioleta), su equipo y √©l lograron hacer girar continuamente dos mol√©culas, creando el primer motor molecular [9]. Este peque√Īo motor no era precisamente r√°pido, pero obvio que la idea fue optimizada. Ya en 2014, este tierno motorcito giraba a m√°s de 12 MILLONES DE REVOLUCIONES POR SEGUNDO y pod√≠a hacer girar un lente de microscopio 10.000 veces m√°s grande que el propio motor.

Tenemos el motor. Vamos por el auto.

El a√Īo 2011, el mismo grupo de Feringa logr√≥ construir un nano-auto de 4 ruedas, con un chasis molecular unido a cuatro nanomotores que funcionaban como ruedas [10].
Este es el Nanoauto de cuatro ruedas creado por Feringa. Para que se hagan una idea, piensen en un Chevrolet Spark, pero un poco m√°s amplio.
Seg√ļn Stoddart, la clave del trabajo con estas m√°quinas moleculares fue, como mencionamos previamente el desarrollo de un nuevo tipo de enlace molecular, una uni√≥n de tipo mec√°nica que permite la interacci√≥n entre componentes de una forma repetida y controlada. ¬ęEs un nuevo enlace en qu√≠mica. Revolucionario en este campo¬†(...)¬†Los qu√≠micos producen quiz√°s miles de nuevos compuestos cada d√≠a y descubren una o dos nuevas reacciones cada semana. ¬ŅPero un nuevo enlace? Eso pasa una vez en cada luna azul. Este es un avance en la qu√≠mica fundamental¬Ľ, dijo humildemente Stoddart.

Muy lindos, pero, ¬Ņcu√°l es o ser√° su utilidad?

Cada vez que un nuevo descubrimiento de este tipo sale a la luz, se nos viene algo que en ciencia llamamos (?) ¬ęefecto Nemo¬Ľ, que puede ser usado en m√ļltiples contextos. El efecto Nemo est√° basado en el final de la pel√≠cula Buscando a Nemo (no me digas), cuando los peces logran liberarse del acuario que los manten√≠a en cautiverio en bolsas individuales y por fin consiguen la libertad. Luego, todos se miran, aun dentro de sus bolsas, y se preguntan: ¬ŅY ahora? (Puede aplicarlo para cuando termina su tesis; hay otras acepciones que usan este mismo t√©rmino referidas al estado de conservaci√≥n de las especies de la pel√≠cula).
El efecto Nemo es algo real. Piense en cuantas veces lo ha vivido.
Feringa hizo una comparaci√≥n con el trabajo de los hermanos Wright. Una vez que lograron construir su m√°quina voladora, todos reaccionaron con alegr√≠a, pero no hab√≠a claridad de su utilidad real. Y bueno, ¬ęhoy tenemos aviones Boeing 747¬Ľ, dice Feringa. Entonces, las posibles aplicaciones de estas nanom√°quinas moleculares son ilimitadas: por ejemplo, robots capaces de ¬ęcazar¬Ľ un c√°ncer mediante c√°maras que pueden ser insertadas directamente en las venas para detectar y remover c√©lulas defectuosas y tumores, peque√Īos dispositivos de almacenamiento de energ√≠a para computadoras o incluso un mini cortau√Īas para el senador Zald√≠var.

Es cosa sólo de ponerse a pensar.

Han pasado 32 a√Īos desde esa visionaria charla del maestro Feynman (¬°hasta la victoria!) y es dif√≠cil imaginarse lo que est√° por venir. Sin embargo, lo que s√≠ podemos hacer es responder la pregunta que inici√≥ esta historia: ¬Ņsomos capaces de construir m√°quinas tan peque√Īas que necesitas un microscopio para verlas? La respuesta es s√≠, estos genios lo lograron. Lograron crear m√°quinas al menos 1000 veces m√°s peque√Īas que la hebra de un cabello. Y bueno, les vali√≥ un Nobel [11]. El Nobel de Qu√≠mica 2016.

Referencias

[1] Updated: World's smallest gadgets bag Nobel chemistry prize. Disponible ac√°
[2] How molecules became machines. The Nobel Prize in Chemistry 2016. Disponible en: www.Nobelprize.org
[3] Nobel Prize in Chemistry honours Molecular Machines. Disponible ac√°
[4] Capecelatro, A.N. (2007) From Auld Reekie to the City of Angels, and all the Meccano in between: A Glimpse into the Life and Mind of Sir Fraser Stoddart. The UCLA USJ., 20,1-7.
[5] Stoddart, J.F. (2009) The Master of Chemical Topology. Chem. Soc. Rev., 38,1521-1529.
[6] A molecular shuttle, Pier Lucio Anelli, Neil Spencer, and J. Fraser Stoddart. Journal of the American Chemical Society 1991 113 (13), 5131-5133 DOI: 10.1021/ja00013a096 (http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja00013a096)
[7] BadjicŐĀ, J. D.; Balzani, V.; Credi, A.; Silvi, S.; Stoddart, J. F. A Molecular Elevator. Science 2004, 303 (5665), 1845‚Äď1849.
[8] Huang, T. J.; Brough, B.; Hoa, C.-M.; Liu, Y.; Flood, A. H.; Bonvallet, P. A.; Tseng, H.-R.; Stoddart, J. F.; Baller, M.; Magonov, S. A Nanomechanical Device Based on Linear Molecular Motors. Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 5391‚Äď5193.
[9] Weber, L. and Feringa, B.L. (2009) ‚ÄúWe Must be Able to Show How Science is Beneficial to¬†Society.‚ÄĚ, Chimia, 63 (6),352-356.
[10]Feringa, B.L. (2011)  Angew. Chem. Int. Ed., 50, 1470-1472.
[11]Peplow, M. (2015) The Tiniest Lego: a tale of nanoscale motors, rotors, switches and pumps. Nature., 525, 18-21