Cómo hacer que las moléculas se muevan
Unos químicos desarrollan un sistema molecular artificial que se mueve por sí solo
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Un equipo de la Universidad de Ulm ha logrado desarrollar un minúsculo sistema molecular que se desplaza de forma autónoma a lo largo de un recorrido predeterminado, impulsado por combustible químico y sin control externo de cada uno de los pasos. Este trabajo llena un vacío en la investigación sobre máquinas moleculares artificiales. En el futuro, este principio podría ayudar a producir moléculas a las que es difícil acceder por medios convencionales. La revista especializada *Nature Chemistry* acaba de publicar los resultados.
En la naturaleza, en cada célula funcionan pequeñas máquinas moleculares: las denominadas proteínas motoras, como la kinesina o la miosina, transportan sustancias, permiten los movimientos musculares y participan en la división celular. Estas proteínas se desplazan a lo largo de fibras proteicas, como si caminaran sobre dos piernas. Son impulsadas por la energía que proporciona una molécula propia del organismo. Desde hace tiempo, los químicos intentan reproducir estos movimientos con máquinas moleculares artificiales. «Sin embargo, todos los “corredores” conocidos hasta ahora tenían que ser controlados desde el exterior, por ejemplo, mediante la adición de sustancias químicas, luz o un campo eléctrico», explica Max von Delius. Este catedrático del Instituto de Química Orgánica I de la Universidad de Ulm ya había logrado en 2010, durante su doctorado en Edimburgo, que las primeras moléculas del mundo «recorrieran» una pequeña distancia molecular. En el estudio actual, coordinado por él, se ha logrado ahora el paso hacia la autonomía: «Nuestro corredor se mueve por sí solo, siempre y cuando se le reponga combustible».
¿Cómo se pone en marcha el corredor?
Los investigadores utilizan como «corredor» un grupo fosfato formado por un átomo de fósforo y cuatro átomos de oxígeno. Este grupo es un componente biológico importante y participa en casi todos los procesos metabólicos. Las dos pistas de carrera del montaje experimental de los investigadores de Ulm también están formadas por sustancias naturales: la glicerina, un componente graso con tres posibles puntos de unión para el grupo fosfato, e inositol, un derivado del azúcar que ofrece cinco puntos de unión.
«Para que nuestro grupo fosfato pueda dar un paso en estas vías, debe romper un enlace con la vía molecular —por así decirlo, levantar un pie— y establecer un nuevo enlace en el siguiente peldaño», explica von Delius. «El reto radica en que dichos enlaces son extremadamente estables. Normalmente solo se rompen muy lentamente. Según los cálculos, se tarda unos 140 000 años en que la mitad de ellas se descomponga. Para nuestro genoma, esta inercia es positiva. Pero para un corredor que debe dar varios pasos por hora, es un desastre».
Los investigadores encontraron una forma de superar este obstáculo en un principio de reacción que también se conoce en el ARN: si el grupo fosfato se une a dos grupos adyacentes, cada uno de los cuales está formado por un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno (grupos OH), se forma una estructura anular que se encuentra bajo tensión, «como una ballesta cargada», según von Delius, y en ella uno de los dos enlaces se rompe en cuestión de minutos.
Paso a paso, sin salirse de la vía
Así se desarrolla un paso del corredor: en sentido figurado, el grupo fosfato se encuentra inicialmente muy relajado, con un pie en su recorrido. Cuando los investigadores añaden un «combustible» —carbodiimida soluble en agua (EDC)—, este activa al grupo fosfato para que se acople con un segundo pie en la siguiente posición. Se forma así el mencionado enlace anular tenso, en el que el grupo fosfato permanece unido durante un breve instante a dos posiciones vecinas al mismo tiempo, hasta que el agua permite que se rompa uno de los enlaces. «El pie trasero se despega, el delantero se queda quieto y el grupo fosfato avanza una posición sin salirse nunca del todo de la vía. Con el siguiente ciclo de reacción se da el siguiente paso», explica von Delius.
«Nuestro estudio demuestra claramente el efecto del combustible», afirma el autor principal, Patrick Alexander Hoffmann, del Instituto de Química Orgánica I. «Sin combustible, a lo largo de varias semanas el 90 % de las moléculas de fosfato se acumulan en el borde exterior de la vía de glicerina, en la posición más favorable desde el punto de vista energético. Con combustible, en cambio, tras unas dos horas, el 64 % se sitúa en la posición central, menos estable. El combustible impulsa al sistema hacia un estado que difícilmente alcanzaría por sí solo —en cierto modo, cuesta arriba». En la estructura más larga de inositol, el efecto se hizo aún más evidente: sin combustible, el grupo fosfato no se movió en absoluto, ni siquiera al cabo de ocho semanas. Con combustible, se desplazó por las cinco posiciones posibles —un total de cuatro pasos—.
Si se añade combustible de forma continua, este estado se mantiene durante horas. Los «corredores» avanzan entonces constantemente, como en un motor biológico. «Hemos calculado que la cantidad de sustancia de un mol de «corredores» —unos 200 gramos— recorre en conjunto una distancia neta de unos 8,3 millones de kilómetros por segundo», afirma von Delius. «El combustible es notablemente eficiente: hasta 19 de cada 100 moléculas de combustible consumidas dan lugar a un paso exitoso».
El trabajo cubre una laguna en la investigación
«El sistema reúne por primera vez tres propiedades decisivas: procesividad, autonomía y asimetría cinética», explica von Delius. Esto significa que el corredor permanece vinculado a su recorrido, se mueve de forma autónoma mientras haya combustible disponible y es impulsado por el aporte de energía desde su distribución natural de reposo. Con esta demostración, el trabajo colma una laguna que existía desde hacía muchos años en el campo de las máquinas moleculares. «El ciclo de reacción desarrollado podría ayudar a producir principios activos de difícil acceso, utilizando combustible para colocar un grupo fosfato en una posición que, en principio, sería desfavorable, es decir, hacer que este se desplace, por así decirlo, “cuesta arriba”», explica von Delius. A largo plazo, los investigadores también pretenden hacer que sus «corredores» se muevan de forma selectiva en una sola dirección y transporten sustancias moleculares. Los trabajos han sido financiados por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y la Fundación Alemana para la Investigación (DFG).
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 Alemán se puede encontrar aquí.
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