Avanzar o retroceder le “cuesta” lo mismo a una nanomáquina molecular: investigadores de IMDEA Nanociencia demuestran la reversibilidad microscópica
19.02.2025
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La lanzadera molecular está unida a dos perlas de poliestireno a través de dos moléculas de ADN. El reloj de arena simboliza las trayectorias simétricas de la lanzadera. Crédito: Scixel para IMDEA Nanociencia. |
- Investigadores de IMDEA Nanociencia estudian el funcionamiento de nanomáquinas moleculares observando sus trayectorias de transición entre dos estados.
- Saltar de un lado a otro entre las dos estaciones del hilo molecular toma el mismo tiempo en promedio, lo que demuestra la reversibilidad microscópica.
- El estudio proporciona una primera mirada experimental al principio de reversibilidad microscópica en dispositivos moleculares.
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Madrid, 19 de febrero de 2025. En las lanzaderas moleculares, una molécula de anillo se enrosca en una molécula lineal y puede moverse entre dos porciones –estaciones- de esa línea en respuesta a estímulos externos. Los estímulos químico, de luz o de fuerza mecánica determinan el tiempo que el transbordador pasa en cada estación mientras salta de un lado a otro aleatoriamente por el movimiento térmico. La medición de las trayectorias individuales durante el funcionamiento de estos dispositivos sintéticos es crucial para una comprensión profunda de su funcionamiento y en la optimización de las máquinas moleculares.
Investigadores de IMDEA Nanociencia, liderados por Emilio Pérez y Borja Ibarra, han utilizado pinzas ópticas para medir las trayectorias de transición individuales de lanzaderas moleculares entre dos estaciones en equilibrio mecánico. Sus resultados mostraron que los tiempos de la trayectoria de transición presentan distribuciones amplias mientras mantienen una simetría de inversión en el tiempo. En colaboración con el profesor Raymond Astumian (Universidad de Maine, EE.UU.), confirmaron experimentalmente que los tiempos de las trayectorias de transición muestran simetría, es decir, la lanzadera tarda el mismo tiempo en subir a través del perfil de energía que en bajar.
El análisis de los datos mostró que los valores medios de las transiciones son idénticos, mostrando formas similares para las trayectorias hacia adelante y hacia atrás. La lanzadera pasa el mismo tiempo en cada paso intermedio entre las dos estaciones, independientemente de la dirección del cambio. Esta simetría de las distribuciones temporales de la trayectoria de transición se confirmó de acuerdo al principio de reversibilidad microscópica.
La reversibilidad microscópica establece que, a nivel molecular, cualquier proceso y su inverso ocurren con la misma probabilidad en equilibrio. Es un principio muy bien establecido en mecánica estadística, pero es difícil de medir experimentalmente, ya que implica el seguimiento de las trayectorias de moléculas individuales.
El transporte entre estaciones moleculares implica el paso a través de un estado de transición de alta energía formando una barrera de energía entre estados estables. Las propiedades de las trayectorias de transición a través de estos estados contienen toda la información mecanicista fundamental sobre el proceso de traslado. Hasta la fecha, las trayectorias de transición se han estudiado teóricamente, pero su corta vida -del orden de milisegundos-, así como su naturaleza intrínsecamente estocástica, han impedido su observación experimental directa hasta ahora. Los resultados reportados proporcionan una primera mirada experimental al principio de reversibilidad microscópica en lanzaderas moleculares.
El estudio abre el camino para una comprensión detallada y cuantitativa de la dinámica de las nanomáquinas moleculares sintéticas. Esto es posible gracias a la extrema resolución y sensibilidad de la configuración experimental. Las pinzas ópticas tienen la capacidad de medir y controlar con precisión dispositivos moleculares en el rango de fuerzas de picoNewton. En 2018, los investigadores Pérez e Ibarra siguieron durante 5 minutos completos la posición de una lanzadera molecular. Entonces, se centraron en cuánto tiempo pasaba la lanzadera en cada estación. Ahora, se centran en el viaje, haciendo un análisis exhaustivo de la transición, la trayectoria completa -posición vs. tiempo- de la molécula, extrayendo el perfil de energía a lo largo del hilo molecular.
La investigación sobre nanomáquinas moleculares es relevante para la nanotecnología, en su búsqueda de componentes electrónicos a nanoescala y también para la biología, donde muchas funciones biológicas se basan en lanzaderas moleculares. Este estudio se ha realizado en agua, una ventaja que amplía la posibilidad de utilizar estos dispositivos para aplicaciones biotecnológicas. Los ejemplos de nanomáquinas moleculares son muchos: interruptores y sensores moleculares programables, nanoválvulas para sistemas de administración de fármacos, biomateriales adaptativos, músculos moleculares, etcétera. El Premio Nobel de Química a Feringa, Sauvage y Stoddart ya reconoció en el año 2016 que existe un enorme potencial en el desarrollo de máquinas moleculares.
La investigación, publicada recientemente en la revista Chem (DOI: 10.1016/j.chempr.2024.102410) prepara el camino para explorar la secuencia temporal de eventos durante el traslado e investigar la posibilidad de tomar múltiples caminos a través del panorama energético. La información revelada por este estudio guiará el diseño racional de interruptores y motores moleculares eficientes con una respuesta personalizada, para aplicaciones en nanotecnología y biomedicina.
Este trabajo es fruto de la colaboración entre los grupos de IMDEA Nanociencia "Química de Materiales de Bajas Dimensiones" liderado por Emilio M. Pérez y "Manipulación de Motores Moleculares" liderado por Borja Ibarra, y Raymond Astumian (Universidad de Maine, EE.UU.), y ha sido parcialmente financiado por la acreditación de Excelencia Severo Ochoa otorgada a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).
Glosario:
- Lanzadera molecular: un tipo de máquina molecular capaz de transportar moléculas o iones de un lugar a otro.
- Rotaxano: una arquitectura molecular mecánicamente entrelazada que consiste en una molécula en forma de mancuerna enhebrada a través de una molécula de anillo (macrociclo).
- Trayectoria de transición: evento en el que una molécula cruza una barrera que separa dos conformaciones moleculares estables.
- Reversibilidad microscópica: principio fundamental de la mecánica estadística que establece que si una cierta serie de pasos constituye el mecanismo de una reacción hacia adelante, el mecanismo de la reacción inversa (en las mismas condiciones) viene dado por los mismos pasos recorridos hacia atrás.
Referencia:
T. Nicolás-García, N. Martín-Sabanés, R. Bocanegra, R. D. Astumian, E. M. Pérez, B. Ibarra. Transition-path times of indivicual molecular shuttles under mechanical equilibrium show symmetry. Chem 11, 102410 (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2024.102410
Enlace al Repositorio de IMDEA Nanociencia: https://hdl.handle.net/20.500.12614/3918
Contacto:
Prof. Emilio Pérez
emilio.perez [at] imdea.org
https://nanociencia.imdea.org/chemistry-of-low-dimensional-materials/home
Bluesky: @emilioperezlab.bsky.social
Prof. Borja Ibarra
borja.ibarra [at] imdea.org
https://nanociencia.imdea.org/molecular-motors-manipulations-lab/group-home
Bluesky: @3mlab.bsky.social
Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
Fuente: IMDEA Nanociencia.
El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro de investigación interdisciplinar en Madrid dedicado a la exploración de la nanociencia y el desarrollo de aplicaciones de la nanotecnología en relación con industrias innovadoras. IMDEA Nanociencia es un centro de Excelencia Severo Ochoa desde 2017, máximo reconocimiento a la excelencia investigadora a nivel nacional.
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