Los químicos generalmente sintetizan moléculas usando colisiones estocásticas formadoras de enlaces de las moléculas reactivas en solución. La naturaleza sigue una estrategia diferente en la síntesis bioquímica. La mayoría de las reacciones bioquímicas son impulsadas por complejos de proteínas de tipo máquina que unen y colocan las moléculas reactivas para transformaciones selectivas. Se han propuesto "ensambladores moleculares" artificiales que realizan "mecanosíntesis" como un nuevo paradigma en química y nanofabricación. Un equipo de químicos de la Universidad de Kiel (Alemania) construyó el primer ensamblador artificial, que realiza síntesis y utiliza la luz como fuente de energía. El sistema combina la unión selectiva de los reactivos, posicionamiento preciso, y liberación activa del producto. Los científicos publicaron sus hallazgos en la revista. Química de las comunicaciones .

La idea de ensambladores moleculares, que son capaces de construir moléculas, ya fue propuesto en 1986 por K. Eric Drexler, basado en ideas de Richard Feynman, Premio Nobel de Física. En su libro "Engines of Creation:The Coming Era of Nanotechnology" y publicaciones de seguimiento, Drexler propone máquinas moleculares capaces de posicionar moléculas reactivas con precisión atómica y construir más grandes, estructuras más sofisticadas a través de la mecanosíntesis. Si tal nanobot molecular pudiera construir cualquier molécula, ciertamente podría construir otra copia de sí mismo, es decir, podría auto-replicarse. Estas visiones imaginativas inspiraron a varios autores de ciencia ficción, pero también inició una intensa controversia científica.

El problema de los "dedos pegajosos"

El debate culminó en un artículo de portada de Chemical &Engineering News en 2003 con la pregunta clave:"¿Son posibles los ensambladores moleculares, dispositivos capaces de colocar átomos y moléculas para reacciones definidas con precisión?" Aquí el premio Nobel Richard E. Smalley planteó dos objeciones principales:el problema de los "dedos gordos" y el de los "dedos pegajosos":para agarrar y guiar cada átomo individual, el ensamblador debe tener muchos nanodedos. Smalley argumentó que simplemente no hay suficiente espacio en la región de reacción de tamaño nanométrico para acomodar todos los dedos de todos los manipuladores necesarios para tener un control completo de la química. El problema del "dedo pegajoso" surge del problema de que los átomos de las manos del manipulador se adhieren al átomo que se está moviendo. Por lo tanto, a menudo será imposible liberar el bloque de construcción en el lugar correcto. Smalley concluye que los problemas de grasa y dedos pegajosos son fundamentales y no pueden evitarse.

Observando los ensambladores moleculares de la naturaleza

Sin embargo, en naturaleza, Existen numerosos ejemplos de ensambladores moleculares, como el ribosoma, péptido sintetasas no ribosomales, policétido sintasas, y ATP-sintasa. "En términos de ensambladores moleculares, podemos afirmar, si la naturaleza usa ensambladores moleculares para la síntesis, los químicos deberían, al menos en principio, poder construir y operar ensambladores artificiales en el laboratorio ", dice Rainer Herges, profesor de Química Orgánica y portavoz del Centro de Investigación Colaborativa 677 "Función por conmutación" en la Universidad de Kiel.

Herges y su equipo ahora han construido el primer ensamblador artificial, que utiliza la luz como fuente de energía. Al observar los ensambladores moleculares en la naturaleza, intentaron reducir sistemáticamente su sofisticación y complejidad a un nivel, alcanzable con química sintética. La síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato y las péptido sintetasas no ribosomales sirvieron como modelo.

El ligando fotoconmutable guía a través de una reacción

Agarran los reactivos cuatro iones de vanadato, acercarlos y concatenarlos en anillos. Colocando los reactivos, un ligando fotoconmutable guía los reactivos a través de un canal de reacción específico, y se forma una molécula que no está presente en la solución de partida. El cambio fotoquímico del ligando a un estado no vinculante también desencadena la liberación del producto y resuelve el problema del "dedo pegajoso". El equipo de investigación eligió la luz ultravioleta como fuente de energía externa porque es conveniente de aplicar y no se forman subproductos que interfieran en contraste con las fuentes de energía química.

Un cambio de paradigma en la síntesis química

Máquinas moleculares similares, como los ensambladores que condensan aminoácidos en proteínas desencadenarían un cambio de paradigma en la síntesis química. Las ventajas obvias son menos productos secundarios, enantioselectividad, y rutas sintéticas más cortas ya que la mecanosíntesis fuerza a las moléculas a entrar en un canal de reacción predefinido. "Es más, el producto del anillo tiene mayor energía como material de partida. En otras palabras, la energía luminosa se convierte en energía química ", enfatiza Herges. "Aunque la mecanosíntesis con ensambladores moleculares artificiales es extremadamente desafiante, Vale la pena investigarlo y podría proporcionar una nueva forma de conversión de energía luminosa ".