Considere un trozo corto de cuerda: ¿podría adivinar qué nudos tienen más probabilidades de formarse si se arrugan y sacuden? Los químicos sintéticos han estado trabajando durante mucho tiempo en una versión molecular de este problema y, hasta ahora, han logrado sintetizar mediodocenas de tipos de nudos diferentes usando técnicas de autoensamblaje molecular. Pero, ¿qué otros tipos de nudos se podrán realizar en el futuro? Esta es la pregunta desafiante que los científicos de SISSA, en asociación con la Universidad de Padua, han abordado usando simulaciones por computadora en estenuevo trabajo publicado en Comunicaciones de la naturaleza . Los científicos identificaron una lista corta, una especie de "tabla periódica", de los tipos de nudos más designables, es decir, aquellos nudos que podrían autoensamblarse fácilmente en condiciones físicas y químicas apropiadas. Los hallazgos, obtenidos con modelos predictivos computacionales, sonrespaldado por los últimos resultados experimentales y debería ayudar a la síntesis de topologías aún no descubiertas. Este estudio, y la capacidad cada vez más predictiva de las técnicas de modelado molecular, pueden crear nuevas perspectivas posibles para futuras aplicaciones avanzadas, como la construcción de máquinas moleculares sofisticadas para cargary entregar un nanocargo.
No solo un desafío intelectual
"Existe un creciente interés científico en las moléculas con complejo. En este contexto, la posibilidad de diseñar y sintetizar nuevos tipos de nudos moleculares es particularmente atractiva", dicen Mattia Marenda y Cristian Micheletti, respectivamente primer y último autor de esta investigación.
"Hasta hace poco, solo se habían sintetizado unos pocos tipos de nudos moleculares. Estos eran los nudos más simples en las tablas matemáticas, es decir, aquellos que tenían como máximo 5 cruces esenciales". Se podría haber predicho que el siguiente tipo de nudo que se sintetizaríatenía seis cruces. Sin embargo, en un estudio computacional de 2015, Micheletti y sus colaboradores argumentaron que el tipo de nudo sin descubrir más simple y más designable era significativamente más complejo y presentaba hasta 8 cruces esenciales. Esta predicción se confirmó experimentalmente en 2017 y motivó el actualestudio, que empleó una exploración más sistemática de las formas o configuraciones que se pueden formar a partir de bloques de construcción idénticos cosidos juntos en forma de cuerda.
Simulaciones eficientes y confiables
"Con estos modelos, buscamos descubrir qué nuevos tipos de nudos moleculares, si los hubiera, serían más fáciles de obtener con las técnicas de química sintética actuales, particularmente el autoensamblaje. Encontramos que estos tipos de nudos privilegiados existen, pero son muy raros"Solo una docena de topologías diferentes son realizables entre millones de tipos de nudos simples. Los resultados de nuestros modelos tienen una simplicidad inherente", dice Marenda. "El tejido molecular de estos tipos de nudos es modular y altamente simétrico. Utilizamos estas características como criterios de selecciónpara tamizar el enorme espacio combinatorio de los patrones de tejido molecular y obtuve una lista corta de tipos de nudos que se espera ensamblar fácilmente a partir de unos pocos bloques de construcción idénticos "." La lista corta es similar a una tabla periódica, ya que está organizada en filas y columnas que reflejandiferentes aspectos de la dificultad esperada de la realización práctica ", continúa Micheletti." Los resultados están respaldados por experimentos recientes y esto sugiere que la tabla podríade hecho, será útil para los químicos experimentales para elegir las topologías objetivo para futuros estudios y aplicaciones ".
Nanocargo y máquinas moleculares: posibles aplicaciones
¿Cuáles son los posibles resultados a largo plazo de esta investigación? "En este momento" explican Marenda y Micheletti "los químicos y físicos se han centrado principalmente en demostraciones de prueba de concepto del diseño y síntesis de nudos moleculares. Sin embargo, interesantes vías de aplicaciónya se han sugerido. "Un ejemplo principal es el ensamblaje de jaulas moleculares:" En este caso, sustancias específicas podrían estar anidadas o atrapadas dentro de tejidos de nudos moleculares sintéticos. Estos últimos podrían servir como una máquina molecular controlable, capaz de cargar oliberar un nanocargo dependiendo de las condiciones fisicoquímicas específicas. Estas son perspectivas interesantes y atractivas para posibles aplicaciones en medicina o electrónica ".
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Materiales proporcionados por Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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