Los investigadores de OIST crean moléculas de autoensamblaje que pueden descomponerse con luz ultravioleta para recombinarse en formas macroscópicas novedosas.

La química tradicional es inmensamente poderosa cuando se trata de producir moléculas químicas microscópicas muy diversas y muy complejas. Pero una cosa fuera de alcance es la síntesis de grandes estructuras hasta la escala macroscópica, lo que requeriría enormes cantidades de productos químicos, así como una técnica elaborada y complicada. Para este propósito, los científicos confían en cambio en moléculas "autoensambladas", compuestos que pueden interactuar con otras copias de sí mismos para congregarse espontáneamente en esferas, tubos u otras formas deseadas. Usando este enfoque, investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) ahora informa en Comunicaciones químicas nuevas moléculas de autoensamblaje que pueden transformarse en novedosas, Formas exóticas y previamente no observadas simplemente usando luz ultravioleta para obligarlas a reorganizarse de manera diferente en estados "metaestables".

Al diseñar estructuras de autoensamblaje, los científicos suelen apuntar al estado de menor energía, o "estado fundamental, "en el que la estructura estaría en su máxima estabilidad. Las formas menos estables generalmente se descartan como incorrectas e indeseables. Sin embargo, este "estado fundamental" al ser muy estable hace que sea difícil romper la estructura si desea alterar su forma. En esta investigación, Los científicos de la OIST insertaron una debilidad en sus estructuras autoensambladas del estado fundamental, resultando en estructuras que requieren solo un pequeño empujón para colapsar. En este caso, el empujón es el uso de luz ultravioleta para cortar un enlace específico entre dos átomos dentro de la molécula, dividiendo la estructura en fragmentos más pequeños. Los fragmentos pueden luego ensamblarse en formas menos estables, llamadas metaestables, pero nuevas y exóticas.

"Este informe trata sobre un nuevo concepto en la ciencia de los materiales, ", explicó el profesor Zhang de la Unidad de Materia Suave Bioinspired y autor del estudio." Convertimos un fenómeno de autoensamblaje en un ensamblaje conjunto de una manera controlable espacial y temporalmente usando luz. Finalmente, construimos nanoestructuras heterogéneas exóticas inaccesibles a través del camino sintético convencional ".

Este nuevo concepto condujo a un descubrimiento fascinante:debido a que los fragmentos restantes están apretados después del colapso de la estructura inicial, pueden formar estructuras nuevas y exóticas que no son alcanzables si se mezclan las mismas moléculas en movimiento libre. Imagínese estas nanoestructuras hechas de ladrillos de Lego:inicialmente tiene ladrillos de 2x5 (2 tacos de ancho y 5 tacos de largo) que se autoensamblan en una nanofibra. La luz ultravioleta dividirá estos ladrillos de 2x5 en dos piezas más pequeñas, por ejemplo, un ladrillo de 2x3 y un ladrillo de 2x2, destruyendo toda la estructura fibrosa. Pero debido a que estos ladrillos más pequeños permanecen preorganizados espacialmente permaneciendo cerca unos de otros, pueden recombinarse fácilmente en nuevas formas visibles a simple vista. A diferencia de, si en un experimento separado solo mezcla ladrillos Lego 2x3 y 2x2 de manera aleatoria en un cubo con diferentes distancias entre los ladrillos, su falta de organización espacial impide el montaje de nanoestructuras tan novedosas.

Según el profesor Zhang, la capacidad de crear nuevas estructuras es vital:"En la ciencia de los materiales, la función siempre está relacionada con la estructura. Si crea una estructura diferente, manipulas la función e incluso creas nuevas aplicaciones ". Por ejemplo, la toxicidad de una molécula en forma de nanofibras podría ser mucho menor o mayor que la de la misma molécula ensamblada en forma esférica ".

La presente investigación realizada en OIST sugiere fuertemente que las condiciones iniciales son el parámetro más crítico que influye en la forma final que toman las moléculas autoensambladas. "Si sabes cómo se empacan las moléculas entre sí a partir de los parámetros del estado inicial, luego te dará más pistas para apuntar hacia una forma macroscópica específica, "comentó el Prof. Zhang.

Esta habilidad de cambiar de forma tiene un gran potencial para aplicaciones biológicas. El profesor Zhang sugirió, "Por ejemplo, introduces la molécula en un organismo vivo y adopta una estructura determinada. Luego, con la luz, rompes un enlace químico y luego la molécula cambiará a otra estructura con la función que deseas ".

En diseño farmacéutico, tal concepto permitiría que un fármaco alcance su objetivo en un organismo vivo, un órgano o un tumor, en un estado inactivo, limitando así los posibles efectos secundarios. Una vez desglosados ​​en esta ubicación de orientación, el fármaco se transformaría en una estructura diferente con actividad terapéutica.

El profesor Zhang concluyó:"Por ahora, El uso de luz ultravioleta como lo hacemos nosotros no es ideal, ya que es tóxico para las células vivas. El siguiente paso para nosotros es avanzar hacia estructuras autoensamblables más biocompatibles con una mejor adaptabilidad a los sistemas vivos ".