Predicen el tamaño máximo de sistemas cíclicos autoensamblados en función de la longitud molecular

Investigadores del grupo Materiales y Sistemas Moleculares Nanoestructurados del Departamento de Química Orgánica de la Universidad Autónoma e Madrid (UAM), liderado por el Prof. David González Rodríguez, han publicado recientemente un estudio en el que es posible predecir el tamaño máximo que se puede alcanzar en especies cíclicas supramoleculares en función de la longitud molecular.

Un proceso de autoensamblaje supramolecular consiste en la asociación espontánea de moléculas (también llamadas especies monoméricas) a través de interacciones no covalentes para dar lugar a una especie agregada más compleja. En la naturaleza existen gran cantidad de ejemplos de sistemas funcionales autoensamblados, como son las proteínas fibrilares (como la tubulina, la gramicidina o las acuaporinas) o virus como el virus mosaico del tabaco.

Las interacciones no covalentes más importantes, capaces de dirigir y organizar el ensamblaje de sistemas moleculares, son las fuerzas de Van der Waals, las interacciones π-π o los enlaces de hidrógeno. Estos últimos son de vital importancia en la formación de la estructura supramolecular helicoidal de tipo dúplex del ADN.

En dicha estructura las hebras sencillas de ADN se unen a través de enlaces de hidrógeno entre bases nucleicas complementarias. Así, la timina (T) o uridina (U) reconocen a la adenina (A) mediante dos enlaces de hidrógeno, y la citosina (C) a la guanina (G) por medio de tres enlaces de hidrógeno. Estos patrones complementarios de enlace de hidrógeno de tipo Watson-Crick son el factor esencial que permite que dos hebras se reconozcan entre sí.

MACROCICLACIÓN SUPRAMOLECULAR

Utilizando bases nucleicas G, C, A y U similares a las presentes en el ADN, y aprovechando la alta capacidad de reconocimiento supramolecular que presentan, el grupo de investigación Materiales y Sistemas Moleculares Nanoestructurados ha diseñado y sintetizado una familia de monómeros capaces de generar especies tetraméricas cíclicas autoensambladas (Fig. 1) que presentan una extraordinaria estabilidad en disolución.

Fig. 2. (a) Monómeros GC con distintas longitudes moleculares (desde 2.1 hasta 4.7 nm). (b) Macrociclos supramoleculares de distintos tamaños (cGC14-cGC54) obtenidos a través de enlaces de hidrógeno de tipo Watson-Crick entre las bases nucleicas complementarias G-C presentes en los monómeros GC1-GC5. /UAM

Con todos los conocimientos adquiridos sobre la formación de tetrámeros cíclicos en disolución, el grupo decidió extender su estudio y preparar nuevos monómeros de tipo GC con distintas longitudes (Fig. 2a) y analizar su influencia en el proceso de formación de las especies cíclicas supramoleculares mencionadas.

Así, el exhaustivo análisis de los resultados obtenidos mediante resonancia magnética nuclear (RMN) y técnicas espectroscópicas como fluorescencia, ultravioleta-visible y dicroísmo circular, determinó que la estabilidad de las especies cíclicas disminuye al aumentar la longitud molecular (Fig. 2b), más concretamente al aumentar el número de enlaces σ en el esqueleto central de la molécula, y que dicha variación es debida a factores entrópicos relacionados con la pérdida de grados de libertad del sistema al ciclar.

Además, el estudio permitió establecer que la longitud molecular máxima para poder formar un tetrámero cíclico estable se correspondería con un monómero que presentase 12 unidades fenil-acetileno en su estructura.

El análisis llevado a cabo en este trabajo de investigación, junto con las conclusiones generales derivadas de él, podrían aplicarse como una herramienta eficaz para los investigadores en el diseño de sistemas supramoleculares más complejos.

Referencia bibliográfica:

Carlos Montoro-García, María José Mayoral, Raquel Chamorro, David González-Rodríguez. How Large Can we Build a Cyclic Assembly? Impact of Ring Size on Chelate Cooperativity in Noncovalent Macrocyclizations, Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201709563