En una nanomáquina molecular, una molécula con forma de anillo situada alrededor de una molécula lineal se mueve entre dos porciones de esa guía lineal, llamadas estaciones.
La termodinámica de estas nanomáquinas ha sido estudiada por muchos, sin embargo, información sobre la mecánica de una única molécula no se había estudiado en detalle hasta la fecha.
Científicos de IMDEA Nanociencia y de la Universidad de Barcelona (UB) -dirigidos por Emilio Pérez y Borja Ibarra- han diseñado un novedoso sistema que conecta las pinzas ópticas con sistemas moleculares sintéticos para aislar nanomáquinas moleculares y medir detalladamente su funcionamiento en condiciones biocompatibles. El sistema estudiado fue un interruptor molecular; este sistema se compone de un macrociclo (molécula anillo) de tetraamida ligado a una hebra de oligoethylenglycol (molécula lineal) con dos grupos diphenylethyl al final del eje (que actúan como tapones); y dos estaciones fumaramide y succinic amide-ester. En estas estaciones pueden establecerse hasta 4 enlaces de hidrógeno con el macrociclo. La nanomáquina está unida a dos microesferas mediante moléculas de ADN. Estas microesferas se atrapan con luz mediante la técnica de las pinzas ópticas, que controlan y miden el movimiento aleatorio del macrociclo entre las dos estaciones. La excelente sensibilidad de las pinzas ópticas, y la robustez de este método han permitido a los autores cuantificar con extraordinaria sensibilidad las fuerzas de piconewton (<10 pN), los desplazamientos nanométricos (15 nm) y la cinética de los procesos que caracterizan el funcionamiento del interruptor molecular.
Por primera vez, los autores describen el movimiento Browniano de una nanomáquina molecular en tiempo real y además, lo hacen en condiciones biocompatibles. Los resultados han permitido también revelar la fuerza mecánica necesaria para desplazar el anillo de cada estación del interruptor molecular, la respuesta de su funcionamiento a fuerzas mecánicas externas, y un mapa detallado del perfil energético de su funcionamiento.
La extensa información que provee este experimento "no se puede obtener a partir con otras técnicas, y proporciona una visión del funcionamiento de una única máquina molecular sintética bajo condiciones casi fisiológicas, en agua y con un pH 7.5" dice Emilio Pérez. Por ejemplo, se ha obtenido que los perfiles de energía revelan una distancia al estado de transición real que es más suave de lo que se pensaba previamente; la asimetría de la curva medida por debajo y por encima de la fuerza de coexistencia, y la población de cada estado basada en medidas de extensión en tiempo real.
El estudio combina los descubrimientos galardonados con los premios Nobel de Química en 2016 y de Física en 2018, integrando la maquinaria molecular y las pinzas ópticas en un mismo experimento. Borja Ibarra comenta: "Esperamos que esta técnica se pueda aplicar al estudio de la mecánica operacional de otros sistemas sintéticos moleculares, para comparar directamente su funcionamiento con el de los motores moleculares biológicos". Los resultados de esta investigación son relevantes tanto para el campo de la Nanotecnología y como de la Biología, ya que muchas funciones bioquímicas se basan en máquinas moleculares.
Emilio M. Pérez y Borja Ibarra son investigadores de IMDEA Nanociencia. El trabajo es el resultado de una colaboración interdisciplinar entre IMDEA Nanociencia y la Universidad de Barcelona: química supramolecular, bioquímica, biofísica molecular y física estadística. La investigación ha sido cofinanciada por el programa "Severo Ochoa" de Excelencia en Centros de Investigación.
