Nobel Prize in Chemistry 2016.Design and synthesis of molecular machines

Article published in February 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2017.02.1

Elena Casero

Departamento de Química Analítica y Análisis Instrumental de la Universidad Autónoma de Madrid

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Download article (pdf)

 

The Nobel Prize in Chemistry 2016 was awarded to Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa "for the design and synthesis of molecular machines" (1).

 

Una máquina molecular puede definirse como un dispositivo formado a partir del ensamblaje de diversos componentes moleculares que son capaces de realizar movimientos mecánicos como respuesta a un estímulo externo adecuado, permitiendo el desarrollo de una función específica (2). El fin último de este tipo de dispositivos consiste en la obtención de un efecto macroscópico a partir de un movimiento molecular concertado. Por ejemplo, lograr que una gota de agua se desplace 1 mm por una superficie inclinada, previamente modificada con motores moleculares, gracias a la acción de la luz (3). Un desplazamiento de 1 mm puede no parecer mucho, pero si tenemos en cuenta el tamaño de las partes involucradas (la gota es visible a simple vista, los motores moleculares que consiguen desplazarla son unas 80.000 veces más pequeños que el ancho de un cabello), nos damos cuenta de la enorme potencia conseguida. Hasta poder llegar a obtener este tipo de resultados, ha sido necesario recorrer un largo camino.
La idea de poder construir máquinas moleculares en un laboratorio fue sugerida por primera vez en el año 1959 por R. Feynman. En su ya mítica conferencia, "There is plenty of room at the bottom", Feynman planteaba la posibilidad de sintetizar moléculas mediante la manipulación y el ensamblaje de los correspondientes átomos (4). Esta idea, que en principio pudo parecer descabellada, supuso el origen no solo de la posibilidad de crear máquinas moleculares artificiales sino, de una manera más general, de la propia nanotecnología y su principal forma de funcionamiento, la construcción "bottom-up". Entre los diversos avances científicos que han impulsado la creación de máquinas moleculares ocupan un lugar fundamental los progresos relacionados con la comprensión y aplicación de las interacciones intermoleculares no covalentes, fundamento de la química supramolecular.
Una gran parte del progreso logrado en el diseño y fabricación de máquinas moleculares se ha debido a los estudios que permitieron desarrollar entidades químicas donde las moléculas se encuentran enlazadas mecánicamente, pudiendo las partes integrantes moverse libremente unas respecto a otras. Los ejemplos más representativos son los catenanos, donde macrociclos moleculares se encuentran entrelazados, y los rotaxanos donde una molécula lineal con grupos voluminosos en los extremos se encuentra "enhebrada" en un macrociclo (ver Figura). Aunque, anteriormente a 1980, se habían logrado sintetizar en varios laboratorios entidades moleculares que se mantenían unidas mediante enlaces no covalentes, los métodos utilizados para ello eran complejos y el rendimiento obtenido tan bajo, que la aplicación era muy limitada.
En 1983, en la Universidad Louis Pasteur, J.P. Sauvage y sus colaboradores, logran un enorme avance al proponer un método general de síntesis de catenanos basado en la coordinación con metales, gracias a los cuales el enhebrado de las correspondientes moléculas se lleva a cabo de una manera sencilla, lográndose altos rendimientos. En la Universidad de Sheffield, Sir J. Fraser Stoddart y sus colaboradores dan otro enorme paso en el campo al desarrollar un rotaxano donde el componente cíclico (un ciclofano tetracatiónico) es capaz de desplazarse entre dos puntos del componente lineal actuando como una lanzadera molecular.
A lo largo de los años 90, ambos grupos de investigación desarrollan diversos sistemas, principalmente catenanos y rotaxanos, en los que logran controlar externamente el movimiento de traslación y de rotación de las entidades moleculares enlazadas mecánicamente, mediante la aplicación del estímulo externo adecuado (inducción electroquímica, fotoquímica, térmica). La integración de varios de estos componentes, de manera que el movimiento mecánico producido ocurra de manera concertada, ha dado lugar al desarrollo de diversas máquinas moleculares. Así, Stoddart y colaboradores construyen un ascensor molecular formado por 3 unidades de rotaxano enlazadas mecánicamente a una plataforma que permite desplazamientos de 0.7 nm. Sauvage y colaboradores logran simular un músculo a partir de dos rotaxanos entrelazados que mediante un estímulo químico se alargan/contraen en torno a 2 nm (2,5).
De manera complementaria a los avances logrados por Sauvage y Stoddart en el ámbito del desarrollo de entidades moleculares enlazadas mecánicamente, L. B. Feringa y colaboradores proporcionan un enorme impulso al campo al lograr controlar la dirección en la que se produce el movimiento de rotación en diversas estructuras moleculares. La unidireccionalidad del movimiento de rotación se consigue utilizando moléculas que contienen enlaces insaturados y mediante la irradiación con luz ultravioleta. A lo largo de los siguientes años, L. B. Feringa y colaboradores perfeccionan este tipo de motores alcanzando, en 2014, frecuencias de rotación en torno a 12 MHz. Con este tipo de dispositivos logran, por ejemplo, desplazar objetos micrométricos sobre un cristal líquido o propulsar un nanocoche sobre una superficie al ensamblar sobre un chasis molecular cuatro motores y lograr su adecuada rotación (6).
En definitiva, las investigaciones realizadas por Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa han aportado un conocimiento fundamental sobre el control del movimiento a nivel molecular y su aplicación al desarrollo de máquinas moleculares.

 

 

 Figura Elena Casero

 Figura. Rotaxano con 2 posiciones posibles para el macrociclo.

 

REFERENCES

(1) https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/
(2) V. Balzani, A. Credi, F.M. Raymo, J.F. Stoddart, "Artificial Molecular Machines", Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3348-3391.
(3) J. Berná, D.A. Leigh, M.Lubomska, S.M. Mendoza, E.M. Pérez, P. Rudolf, G.Teobaldi, F.Zerbetto, "Macroscopic transport by synthetic molecular machines", Nature Mater, 2005, 4, 704-710.
(4) R.P. Feynman, "There's Plenty of Room at the Bottom",Caltech Eng. Sci.1960, 23:5, 22–36.
(5) J.F. Stoddart, "The master of chemical topology", Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1521-1529. (published as a part of "2009 themed issue dedicated to Professor Jean-Pierre Sauvage")
(6) W.R. Browne, B.L. Feringa, "Making molecular machines work", Nature Nanotechnology, 2006, 1, 25-35.

 

 

 

Read previous articles

 

Interview

Elena Casero
Departamento de Química Analítica y Análisis Instrumental de la Universidad Autónoma de Madrid

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- En mi caso no creo que pueda decirse que mi vocación científica surgiera en un momento preciso, sino que más bien se fue gestando paulatinamente. No obstante, si tuviera que destacar alguno de los momentos que han sido importantes para ello, creo que fueron fundamentales los años en los que cursé la carrera de Químicas. Al finalizar, aunque me parecía muy difícil poder dedicarme a la investigación en España, y por supuesto todavía no era consciente de las dificultades que entrañaba, tuve claro que quería realizar una tesis doctoral. Durante esta etapa, me influyó muy notablemente toda la gente con la que compartí laboratorio y, sobre todo, el entusiasmo de muchos de los investigadores en diversas áreas del conocimiento, que conocí. Todo ello me estimuló para orientar mi carrera profesional hacia la investigación. De todas formas, creo que, aunque uno tarde más o menos en darse cuenta de que tiene vocación científica, en el fondo es algo innato pues está relacionado con la curiosidad y las ganas de comprender cómo funciona la naturaleza que te rodea.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Tras licenciarme en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid en 1991, me trasladé a París donde realicé mi tesis doctoral en el Laboratoire de Photophysique Moléculaire (Orsay) bajo la dirección de los profesores Guy Taieb y Joëlle Rostas. Durante ese periodo realicé estudios espectroscópicos, desde un punto de vista tanto experimental como teórico, sobre varios compuestos de calcio. A mi regreso a España, gracias a una beca postdoctoral, me incorporé al Departamento de Química Analítica y Análisis Instrumental de la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de Madrid, donde participé en un proyecto dedicado al desarrollo de sensores amperométricos para la determinación de óxidos de nitrógeno en sistemas biológicos. Desde ese momento hasta la actualidad, he desarrollado mi actividad docente e investigadora en este departamento, del que soy Profesora Titular desde el año 2010. Durante estos años, mi investigación se ha encuadrado en el mundo de los sensores y biosensores, donde además del desarrollo de este tipo de dispositivos, he profundizado en su caracterización mediante la utilización de diversas técnicas, fundamentalmente técnicas de superficies. En este contexto, para llevar a cabo estudios que requerían de la utilización de radiación sincrotrón, he realizado diversas estancias en el European Synchrotron Radiation Facility en Grenoble, en el Laboratoire pour l' Utilisation du Rayonnement Electromagnétique en París y en ELETTRA en Trieste. Así mismo, en el marco de una colaboración, he efectuado una estancia en la Universidad de Cornell para profundizar en la utilización de la microscopía de barrido electroquímico y posteriormente poner en marcha un microscopio de este tipo en el grupo de investigación.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Es muy difícil definir un perfil con validez universal; no obstante voy a seleccionar algunas de las que considero palabras clave en esta profesión, independientemente del campo en concreto en el que se investigue: perseverancia, autocrítica, curiosidad y entusiasmo. Y por supuesto, el atreverse a hacer cosas nuevas, evitando instalarse en una zona de confort profesional, caracterizada por repetir el mismo tipo de experimentos, pero cambiando alguna variable. Es necesaria una apertura a nuevas ideas y técnicas, dando un paso hacia la interdisciplinaridad. Aunque es cierto que, a veces, es difícil para un químico entender el lenguaje de los físicos o de los biólogos y viceversa, es importante dar este paso para poder realizar verdaderos avances científicos en el panorama actual.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en que consiste su línea de investigación actual y cuál es su transcendencia?

R.- Desde que inicié mi trayectoria investigadora en la Universidad Autónoma de Madrid, mis esfuerzos han estado dirigidos al desarrollo de biosensores, es decir, de dispositivos que incorporan un elemento de reconocimiento biológico acoplado a un transductor y que permiten determinar la concentración de un analito en una muestra, evitando tener que realizar un pretratamiento de ésta. Dentro de este tipo de dispositivos, me he centrado en el desarrollo de aquellos que utilizan enzimas y ADN como elementos de reconocimiento, y que han permitido la determinación de analitos que presentan importancia fundamentalmente en el campo clínico y agroalimentario, como por ejemplo, lactato, xantina, polifenoles u óxido nítrico. Esta investigación posee un carácter marcadamente multidisciplinar, pues al trabajo con material biológico se une la necesidad de llevar a cabo una caracterización exhaustiva de los dispositivos desarrollados. Para ello es necesario conjugar la utilización de técnicas muy diversas, electroquímicas, ópticas, microgravimétricas, o las microscopías de campo cercano. En la actualidad, una gran parte de mi investigación está dedicada a la síntesis y utilización de diversos nanomateriales, principalmente grafeno, nanopartículas metálicas, nanopartículas de diamante y nanotubos de carbono, para el diseño de nuevos biosensores que presenten propiedades mejoradas y que, por tanto, cumplan los requisitos de sensibilidad, estabilidad y reproducibilidad necesarios para resolver problemas analíticos de interés. La transcendencia de este tipo de investigación es evidente, pues es clara la importancia que tiene en el mundo actual el ser capaz de realizar análisis cada vez más complejos que nos permitan, por ejemplo, determinar analitos que se encuentran en muy baja concentración en una muestra o en matrices muy complejas.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX?

R.- Es muy difícil priorizar un avance respecto a otro, sobre todo cuando vienen de distintas áreas de conocimiento. ¿Cómo comparar la revolución que supuso la invención del transistor con el descubrimiento de la penicilina?El primero, dentro del ámbito de la física, dio lugar a la microelectrónica, y gracias a ello tenemos ordenadores, televisión, comunicaciones... El segundo, dentro del ámbito de la medicina y bioquímica, ha salvado millones de vidas. Se me ocurren numerosísimos ejemplos, que van desde la formulación de la mecánica cuántica al descubrimiento de la estructura en doble hélice del ADN, que han tenido una enorme trascendencia dando lugar a otros muchos avances posteriores.
La ciencia y la tecnología se van gestando gracias a los avances realizados en las distintas áreas del conocimiento y, gracias a todos ellos, nuestra forma de vida va mejorando poco a poco. Quedarse con sólo uno, me parece una tarea imposible.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- La carrera científica en España puede considerarse una verdadera carrera de obstáculos. Está "articulada" para desanimar y frustrar a los que quieren acceder a ella, siendo un reflejo de lo poco que parece interesar la ciencia, que es vista como un derroche, en lugar de como una inversión de futuro para el país. Por eso, los jóvenes científicos españoles tienen un enorme mérito. Las pocas figuras para contratar, la precariedad de los contratos, sujetos a renovaciones cada pocos años, son algunos de los problemas concretos con los que se encuentran los jóvenes. No tiene sentido conseguir estabilizarse con casi 40 años, que es la media de edad actual para un puesto permanente de científico en España.

 

Biography

Elena Casero
Departamento de Química Analítica y Análisis Instrumental de la Universidad Autónoma de Madrid
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Elena Casero Junquera es licenciada en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid (1991). Inició su actividad investigadora en el Laboratoire de Photophysique Moléculaire (Orsay, Francia) donde obtuvo el título de Doctor en Ciencias por la Université de Paris Sud XI en 1996. Al año siguiente, se incorporó al Departamento de Química Analítica y Análisis Instrumental de la Universidad Autónoma de Madrid donde es profesora titular desde 2010. Su actividad investigadora se centra en el desarrollo, caracterización y aplicación de nuevos sensores y biosensores basados en nanomateriales, para la determinación de analitos de interés en campos como el clínico o el agroalimentario. Ha participado en 21 proyectos de investigación competitivos y es coautora de más de 40 artículos científicos en revistas internacionales y de dos libros divulgativos: "El nanomundo en tus manos" y "Nanociencia y Nanotecnología: entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro".

Protector Members