Considere un trozo corto de cuerda:¿podría adivinar qué nudos es más probable que se formen si lo arruga y lo agita? Los químicos sintéticos han estado trabajando durante mucho tiempo en una versión molecular de este problema, y muy lejos, han logrado sintetizar media docena de tipos de nudos utilizando técnicas de autoensamblaje molecular. Pero, ¿qué otros tipos de nudos podrían realizarse en el futuro? Esta es la pregunta desafiante que los científicos de SISSA, en asociación con la Universidad de Padua, han abordado el uso de simulaciones por ordenador en este nuevo 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 adecuadas. Los resultados, obtenido con modelos predictivos computacionales, están respaldados por los últimos resultados experimentales y deberían ayudar a la síntesis de topologías aún no descubiertas. Este estudio, y la capacidad cada vez más predictiva de las técnicas de modelado molecular, puede crear posibilidades novedosas para futuras aplicaciones avanzadas, como la construcción de sofisticadas máquinas moleculares para cargar y entregar carga a nanoescala.

No solo un desafío intelectual

"Existe un creciente interés científico por las moléculas complejas. En este contexto, la posibilidad de diseñar y sintetizar nuevos tipos de nudos moleculares es particularmente atractiva, "dice Mattia Marenda, primer autor de esta investigación.

"Hasta hace poco, sólo se habían sintetizado unos pocos tipos de nudos moleculares. Estos eran los nudos más simples en tablas matemáticas, es decir, aquellos que tienen como máximo 5 cruces esenciales ". Por lo tanto, se podría haber predicho que el siguiente tipo de nudo que se sintetizaría tendría seis cruces. Sin embargo, en un estudio computacional de 2015, el coautor Cristian Micheletti y sus colaboradores argumentaron que el tipo de nudo no descubierto más simple y más designable era significativamente más complejo y presentaba hasta ocho cruces esenciales. Esta predicción se confirmó experimentalmente en 2017 y motivó el estudio actual, que empleó una exploración más sistemática de las formas o configuraciones que se pueden formar a partir de bloques de construcción idénticos cosidos entre sí en forma de cuerda.

"Con estos modelos, nuestro objetivo era descubrir qué nuevos tipos de nudos moleculares, Si alguna, sería más fácil de obtener con las técnicas actuales de química sintética, particularmente el autoensamblaje. Descubrimos que estos tipos de nudos privilegiados existen, pero son muy raros. Solo se pueden realizar una docena de topologías diferentes entre millones de tipos de nudos simples. Los resultados de nuestros modelos tenían una simplicidad inherente, "dice Marenda." El tejido molecular de estos tipos de nudos es modular y muy simétrico. Usamos estas características como criterios de selección para tamizar el enorme espacio combinatorio de patrones de tejido molecular y obtuvimos una lista corta de tipos de nudos que se espera que se ensamblen fácilmente a partir de unos pocos bloques de construcción idénticos ".

"La lista reducida es similar a una tabla periódica, porque está organizado en filas y columnas que reflejan diferentes aspectos de la dificultad esperada de realización práctica, "continúa Micheletti." Los resultados están respaldados por experimentos recientes y esto sugiere que la tabla podría ser útil para los químicos experimentales para elegir las topologías objetivo para estudios y aplicaciones adicionales ".

¿Cuáles son los posibles resultados a largo plazo de esta investigación? "En este momento, "explica Marenda, "Los químicos y físicos se han centrado principalmente en demostraciones de prueba de concepto del diseño y síntesis de nudos moleculares. No obstante, ya se han sugerido interesantes vías de aplicación ".

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. Este último podría entonces servir como una máquina molecular controlable, capaz de cargar o liberar una carga a nanoescala dependiendo de las condiciones físico-químicas específicas. Estas son perspectivas interesantes y atractivas para posibles aplicaciones en medicina o electrónica ".