Un motor molecular rotatorio se creó por primera vez en 1999 en el laboratorio de Ben Feringa, profesor de química orgánica en la Universidad de Groningen. Estos motores son impulsados por la luz.
Por muchas razones, sería bueno poder visualizar estas moléculas motoras. La mejor manera de hacer esto es mediante fluorescencia. Sin embargo, es muy difícil combinar dos funciones mediadas por la luz en una molécula.
Feringa Laboratories ha logrado hacer precisamente eso de dos maneras diferentes. Estos dos tipos de motores rotativos accionados por lámparas fluorescentes son Comunicaciones de la naturaleza (30 de septiembre) y progreso cientifico (4 de noviembre).
“Después del exitoso diseño de motores moleculares en las últimas décadas, el siguiente objetivo importante era usar tales motores para controlar diferentes funciones y propiedades”, dijo el ganador del Premio Nobel de Química 2016, explica Feringa. Para motores rotativos, es particularmente difícil diseñar sistemas que tengan otras funciones controladas por energía luminosa además del movimiento rotatorio.
Individual
Feringa y su equipo estaban particularmente interesados en la fluorescencia. La fluorescencia es una técnica clave ampliamente utilizada para la detección, como la formación de imágenes biomédicas. Dos eventos fotoquímicos de este tipo suelen ser incompatibles dentro de la misma molécula. O el motor de conducción de luz funciona y no hay fluorescencia, o hay fluorescencia y el motor no funciona. Feringa: “Hemos demostrado que ambas funciones pueden existir en paralelo en el mismo sistema molecular. Esto es bastante único”.
Ryojun Toyoda, investigador postdoctoral en el Grupo Feringa y actualmente profesor en la Universidad de Tohoku en Japón, agregó un tinte fluorescente al motor rotativo tradicional de Feringa. “El truco consistía en asegurarse de que estas dos funciones no se bloquearan entre sí”, dice Toyoda. Logró suprimir la interacción directa entre pigmentos y motores. Esto se hizo colocando el tinte verticalmente sobre el motor donde se montó el tinte. “Esto limita las interacciones”, explica Toyoda.
Color diferente
De esta manera, las funciones de fluorescencia y rotación del motor pueden coexistir. Además, se encontró que el sistema podía ajustarse cambiando el solvente. “Al cambiar la polaridad del solvente, podemos cambiar el equilibrio de ambas funciones”. Esto significa que el motor se ha vuelto más sensible a su entorno, lo que podría señalar el camino para futuras aplicaciones.
Shirin Faraji, coautora y profesora de química teórica en la Universidad de Groningen, ayudó a explicar cómo sucede esto. Una posdoctorado de su grupo, Kiana Moghaddam, realizó cálculos de mecánica cuántica a gran escala para demostrar cómo la energía clave que gobierna la dinámica de la fotoexcitación depende en gran medida de la polaridad del solvente.
Otra propiedad útil de esta molécula motora fluorescente es que puede unir diferentes colorantes siempre que tengan estructuras similares. “Así que es relativamente fácil hacer un motor que brille en diferentes colores”, dice Toyoda.
Antena
Lucas Pfeiffer construyó un segundo motor fluorescente mientras trabajaba como investigador postdoctoral en el grupo Feringa. Luego asistió a la École Polytechnique Fédérale en Lausana, Suiza. Los motores alimentados por luz infrarroja cercana son útiles en los sistemas biológicos porque esta luz penetra más profundamente en el tejido que la luz visible y daña menos el tejido que la luz ultravioleta.
“Agregamos una antena a la molécula del motor que recolecta la energía de dos fotones infrarrojos y la transfiere al motor”, dice Pfeifer. Una molécula puede tener dos estados excitados diferentes. En un estado, la energía se transfiere a la parte del motor para impulsar la rotación, y en el otro estado, la molécula emite fluorescencia.
Energía
“Para este segundo motor, toda la molécula emite fluorescencia”, explica el Prof. Maxim Pshenichnikov, quien realizó un análisis espectroscópico de ambos tipos de motores fluorescentes y coautor de ambos artículos.
“Este motor es una sola entidad química con una función de onda no localizada y, dependiendo del nivel de energía, puede tener dos efectos diferentes: cambiando la longitud de onda de la luz, la energía que recibe la molécula, obtenemos rotación o fluorescencia. En principio Cuando Realmente Este enfoque destaca la interacción entre los estudios teóricos y experimentales y demuestra el poder de tales esfuerzos combinados.
El equipo combinó tanto la cinética como la fluorescencia en la misma molécula, por lo que el siguiente paso es mostrar la cinética y detectar simultáneamente la ubicación de la molécula mediante el seguimiento de la fluorescencia”.
Feringa: “Esto es muy poderoso, ya que la fluorescencia es una técnica ampliamente utilizada para mostrar donde las moléculas están dentro de las células, se puede aplicar para mostrar cómo estos motores cruzan las membranas celulares o se mueven dentro de las células.
También se puede usar, por ejemplo, para seguir el movimiento inducido por motores impulsados por luz en trayectorias a nanoescala, o para seguir el transporte inducido a nanoescala. Todo esto es parte de la investigación de seguimiento.