Premio Nobel de Química 2016: Sauvage, Stoddart y Feringa por las máquinas moleculares

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Los nanoputienses y los nanorrobots tienen nanomáquinas gracias a los trabajos de los químicos galardonados con el Premio Nobel de Química 2016. Los nanoputienses son moléculas orgánicas cuyas fórmulas químicas recuerdan a la forma de un humano. Los nanobots, los nanorrobots y las nanomáquinas son máquinas moleculares con partes móviles que se pueden controlar de forma externa. Los químicos Jean-Pierre Sauvage (Univ. Estrasburgo, Francia), Sir J. Fraser Stoddart (Univ. Northwestern, Evanston, EE.UU.) y Bernard L. Feringa (Univ. Groninga, Países Bajos) han hecho posible el diseño y la síntesis de máquinas moleculares.

Por fortuna se trata de un tema fácil de divulgar, así que en muchos medios encontrarás explicaciones y vídeos que te aclararán los logros premiados. En cualquier caso, el vídeo del anuncio oficial del Premio Nobel lo puedes disfrutar en Prize Announcement. La nota de prensa (en varios idiomas) la puedes leer en Press Release. Información divulgativa en Popular Information [PDF] y más avanzada en Advanced Information [PDF]. La última figura de esta entrada está extraída de Mark Peplow, “The tiniest Lego: a tale of nanoscale motors, rotors, switches and pumps,” Nature 525: 18–21 (03 Sep 2015), doi: 10.1038/525018a.

Por cierto, predije el premio para Stoddart en 2011 (LCMF, 01 Oct 2011). Además, la Academia Sueca me ha citado porque en mi canal de youtube aparece un vídeo de Feringa publicado en Nature: “Francis Villatoro [2011, Nov. 9]”. Me honra, pero publiqué el vídeo para acompañar “IX Carnaval Química: Una molécula con cuatro ruedas que se mueve como un coche sobre una superficie metálica”, LCMF, 09 Nov 2011.

Siempre que se habla de nanotecnología se menciona al visionario Feynman y su charla de 1959 titulada “There’s Plenty of Room at the Bottom”, que repitió en en 1984 con el título “Tiny Machines” (vídeo youtube de 1984). Sin lugar a dudas el nuevo título para su charla fue premonitorio del Premio Nobel de Química 2016. Por supuesto, las máquinas moleculares existen en la Naturaleza, por ejemplo, los flagelos de la bacterias. Pero el objetivo de los químicos es diseñar y sintetizar nuevas máquinas moleculares que no estén bioinspiradas.

Las nanomáquinas siempre nos llevan al cine de ciencia ficción y películas como el clásico “Viaje Alucinante” (Fleischer, 1966), en la que un submarino se interna en el cuerpo de un científico para disolver un coágulo en su cerebro. Sin lugar a dudas, para el público general su uso biomédico parece la aplicación más atractiva. Sin embargo, tienen muchas otras aplicaciones tecnológicas.

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Feynman no lo sabía en 1984 (al menos no hay constancia), pero en 1983 el químico francés Jean-Pierre Sauvage desarrolló una técnica para formar catenanos, cadenas de moléculas circulares entrelazadas. Experto en fotoquímica, su objetivo era diseñar moléculas capaces de usar la luz solar para inducir reacciones químicas. Desarrolló una molécula en forma semianular que era capaz de formar un anillo cuando dos de ellas reaccionaban. Más aún, cuando se colocaba un ión de cobre en uno de estos anillos, se podían atrapar moléculas semianulares, que cuando se cerraban formaban anillos anudados como eslabones de una cadena (lo ilustra muy bien la figura).

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Los catenanos eran una simple curiosidad, pero permitieron a Sauvage proponer el nacimiento de la llamada Química Topológica. Usando sus moléculas semianulares fue capaz de sintetizar catenanos con forma de nudo de trébol, nudo borromeo y otros nudos topológicos más complicados. Estos trabajos del nuevo premio Nobel fueron el germen de las máquinas y motores moleculares.

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El siguiente paso era controlar el movimiento de los anillos en los catenanos. En 1994, Jean-Pierre Sauvage y su equipo logró producir un catenano con un anillo móvil, pero no fue el primero en lugar un motor molecular. El escocés J. Fraser Stoddart en 1991 desarrolló el primer rotaxano. Usó una molécula en forma de anillo que era deficiente en un electrón y una molécula en forma de barra con dos sitios ricos en electrones. La molécula anular envolvía a la barrita y se movía entre los dos sitios ricos en electrones, de uno a otro de forma sucesiva (como ilustra la figura). Se había logrado el primer motor molecular.

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Los rotaxanos de Soddart fueron mejorando con los años y se lograron varias máquinas moleculares curiosas. Como un ascensor en 2004 (mostrado en la figura), que podía elevarse 0,7 nanómetros sobre una superficie, y un músculo artificial en 2005 que podía levantar una delgada lámina de oro. Los avances llevaron a Soddart a proponer el desarrollo de un chip para un ordenador con 20 kilobytes de memoria basado en rotaxanos.

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En paralelo, el equipo de Sauvage también desarrolló rotaxanos, como un nanomúsculo que se puede contraer y estirar (mostrado en la figura). Los avances en máquinas moleculares eran muy atractivos para los químicos jóvenes así que se lograron avances rápidos más allá de los catenanos y los rotaxanos, los llamados motores moleculares.

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Ahora entra en escena el tercer galardonado, Ben Feringa, que desarrolló el primer motor molecular en 1999. Una molécula que al ser iluminada con luz ultravioleta se ponía a girar en una dirección determinada (ver la figura). Su primera versión era muy lenta, pero en 2014 una versión optimizada era capaz de dar 12 millones de vueltas por segundo.

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El logro más famoso de Feringa fue su nanocoche (nanocar) con un chasis y cuatro ruedas móviles. Me hice eco en este blog en 2011, cuando se publicó en Nature (LCMF, 09 Nov 2011). Pero ya en 2006 desarrolló un nanomotor en forma de cilindro que rodaba por una superficie recorriendo hasta 28 micrómetros (unas diez mil veces su tamaño).

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Los logros pioneros de Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart y Ben Feringa en el desarrollo de motores moleculares y de la química topológica han revolucionado la nanotecnología. Sus aplicaciones actuales son muy limitadas (por ejemplo, en 2013 se desarrolló un rotaxano con forma de brazo robot capaz de tomar un aminoácido y colocarlo en cierto lugar). Sin embargo, su futuro es muy prometedor, sobre todo en biomedicina. No hay que tener mucha imaginación para soñar que dentro de unas décadas haya motores moleculares recorriendo nuestro cuerpo y realizando operaciones nanoquirúrgicos in vivo.


1 Comentario

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Rene Alexander AlvarezRene Alexander Alvarez

Gracias por explicarlo de una manera tan didáctica. la difusión que se hizo con la noticia de estos premios nobel fue un tanto confusa para las personas que no estamos metidas en el temas.

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