Cuatro enormes brazos robóticos rodean la reluciente carcasa metálica de lo que pronto será un automóvil de gama alta. Se dan una sacudida a la vida colocando el capó, los espejos retrovisores, y otros paneles. Es el tipo de operación de precisión que puede encontrar en las fábricas de automóviles de todo el mundo en estos días. Pero aquí hay una pregunta que vale la pena considerar:¿podríamos lograr una hazaña como esta solo mil millones de veces más pequeña?

En 2016, tres pioneros de las máquinas moleculares fueron reconocidos con un premio Nobel. El primer tramo de máquinas moleculares por el que fueron recompensados ​​por crear fueron en su mayoría asuntos simples como rotores, interruptores y similares. Ahora, químicos como el profesor David Leigh de la Universidad de Manchester, REINO UNIDO., están intentando construir máquinas moleculares sofisticadas con varios componentes y que puedan realizar trabajos útiles.

Construir una máquina molecular es un trabajo para químicos de élite, pero los trucos básicos del oficio son bastante fáciles de comprender. Algunos de ellos involucran la construcción de moléculas que están unidas mecánicamente entre sí. Por ejemplo, podrían construir un rotaxano, una molécula en forma de anillo enroscada en un eje. Colocar diferentes grupos de átomos a lo largo del eje y luego manipular sus propiedades, por ejemplo, dar y quitar una carga electrostática — puede impulsar al anillo a moverse a lo largo del eje. Este es el tipo de componente simple que podría usarse en una máquina molecular más elaborada.

Fábrica de bioquímicos

¿Qué tipo de cosas podríamos hacer con una máquina molecular más avanzada, o 'nanobots, "¿Cómo los llaman algunos? El profesor Leigh está particularmente interesado en construir nanobots que actúen como una línea de ensamblaje de productos químicos, sintetizando nuevos químicos con propiedades interesantes. Está inspirado por el ribosoma, una fábrica bioquímica en las células que construye proteínas. Se necesitan bloques de construcción simples llamados aminoácidos, que vienen en solo 20 variedades naturales diferentes, y los une para formar cadenas largas o polímeros. Dependiendo de la secuencia de aminoácidos, esas cadenas se pliegan en una serie de biomateriales, desde la queratina que forma la piel y el cabello hasta las fibras de los músculos.

Los químicos han fabricado muchos polímeros artificiales, pero es extremadamente difícil controlar el orden en que se unen los bloques de construcción. "Los polímeros de secuencia específica son un desafío sin resolver en química, ", dijo el profesor Leigh. Pero él cree que las máquinas moleculares podrían ser una solución. Si tuviéramos máquinas moleculares que pudieran ensamblar polímeros, no se limitarían a los 20 componentes básicos de aminoácidos naturales, por lo que el resultado podría ser una gama de materiales mucho más amplia.

Lograr máquinas que puedan fabricar polímeros de secuencia específica está lejos de ser trivial, dice la profesora de química Nathalie Katsonis en la Universidad de Groningen en los Países Bajos. "Pero estoy convencido de que esta investigación desempeñará un papel importante en (el) futuro de la química, y posiblemente también de la ciencia de los materiales ".

El profesor Leigh ha estado persiguiendo este objetivo a través de su proyecto MOLFACTORY, que comenzó en 2014. En un documento clave en 2017, El profesor Leigh y su equipo demostraron que podían construir un brazo de robot molecular, una versión simplificada y mucho más pequeña de las que ensamblan los autos. Este brazo agarra un químico reactivo y lo mueve a uno de dos sitios. Dependiendo del sitio en el que se ubique, el químico reacciona de diferentes formas para producir diferentes productos químicos. Desarrollado aún más, máquinas como esta podrían producir polímeros de secuencia específica similares a las proteínas producidas por los ribosomas. Y así como diferentes proteínas pueden generar fuerza (músculo) o ser cinco veces más fuertes que el acero (seda de araña), eso podría permitir cosas similares con polímeros artificiales como un poliestireno de secuencia específica.

"David y su grupo están haciendo un trabajo increíblemente creativo, "dijo el profesor Raymond Astumian de la Universidad de Maine en Orono, EE.UU. "No solo las máquinas moleculares que hacen tienen un uso práctico potencial, pero también están dirigidos a responder preguntas fundamentales ".

Otro proyecto, llamado ProgNanoRobot, dirigido por el Dr. Germán Zango que trabaja en el laboratorio del Prof.Leigh, Intenté llevar este robot de producción más lejos. El proyecto tenía varios objetivos, incluida la producción de brazos robóticos que podrían funcionar con un combustible químico y un nanodispositivo capaz de transportar carga molecular a largas distancias a escala atómica.

El proyecto se ejecutó entre 2019 y marzo de 2021 y, hasta ahora, no se publican resultados. Pero el Dr. Zango tuvo algunos éxitos clave. Dijo que produjo un dispositivo en el que se podía producir una carga molecular de un brazo robótico a otro, cumpliendo el objetivo del transporte a largas distancias.

"Trabajar en una investigación que podría llevarnos hacia los albores de la nanotecnología molecular útil fue al mismo tiempo un desafío enorme y una experiencia emocionante, "dijo el Dr. Zango.

Disparadores

En el futuro cercano, Hay varios grandes desafíos que la investigación de nanobots debe superar. En este momento, A menudo ocurre que las máquinas moleculares necesitan ser alimentadas con una serie de desencadenantes químicos en una serie particular para que funcionen. Si los sistemas se usaran para producir polímeros a escala, produciría mucho desperdicio. Parte del trabajo del Dr. Zango investigó la reducción de la cantidad de desencadenantes químicos necesarios o el uso de la luz como desencadenante. "Una de las cosas más desafiantes que estábamos tratando de lograr era usar un solo insumo químico para alimentar un ciclo operativo completo de la máquina o usar solo interruptores fotográficos, "dijo el Dr. Zango.

Otro gran desafío, dice el profesor Leigh, es la corrección de errores. Las máquinas a nanoescala se diferencian claramente de los robots a escala humana en el sentido de que siempre están sujetas a la estocasticidad; puede configurar una máquina molecular para hacer un trabajo en particular, pero nunca puede asegurarse de que funcione correctamente todo el tiempo. La biología tiene que lidiar con este problema, también. En el cuerpo humano hay un conjunto de máquinas moleculares que construyen biomoléculas y otro conjunto completo con el trabajo específico de encontrar y corregir los errores cometidos por el primer conjunto. El profesor Leigh dice que en algún momento, las máquinas moleculares artificiales deberán incluir mecanismos de corrección de errores. Ese tipo de trabajo está todavía en pañales.

Todavía, en octubre de 2020, El profesor Leigh y su equipo dieron un paso significativo hacia un sintetizador de polímeros de secuencia específica. Construyeron un robot basado en rotaxano en el que un anillo 'camina' por una pista, recogiendo moléculas en el camino y uniéndolas. Los resultados solo unieron cuatro moléculas, muy lejos de los cientos o miles de una proteína, pero de todos modos fue un gran paso.

El profesor Leigh dijo que a veces puede parecer que hay exageraciones sobre lo que pueden hacer las máquinas moleculares. Pero considera que estará justificado a largo plazo. "Realmente creo que, con el tiempo, las máquinas moleculares revolucionarán las cosas de la forma en que lo hicieron la revolución industrial o Internet, ", dijo. Pero definitivamente tomará tiempo, añadió.

Admite que no hay nada que pueda hacer todavía con una máquina molecular que no pueda hacerse de forma más sencilla por otros medios. Pero cuando estás inventando algo nuevo eso es algo de esperar. "Es muy parecido al hombre de la Edad de Piedra que hace una rueda para moler maíz, ", dijo el profesor Leigh." Él no sabe que algún día se utilizará para hacer un automóvil ".