En un descubrimiento con amplias implicaciones, investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst anunciaron recientemente en las Proceedings of the National Academy of Sciences que las macromoléculas con carga uniforme, o moléculas, como proteínas o ADN, que contienen una gran cantidad de átomos, todos con la misma carga eléctrica, pueden autoensamblarse en estructuras muy grandes. Este hallazgo cambia nuestra comprensión de cómo se construyen algunas de las estructuras básicas de la vida.

Tradicionalmente, los científicos han entendido que las cadenas de polímeros cargados están compuestas de unidades más pequeñas con carga uniforme. Tales cadenas, llamadas polielectrolitos, muestran comportamientos predecibles de autoorganización en el agua:se repelen entre sí porque a los objetos con cargas similares no les gusta estar cerca unos de otros. Si agrega sal al agua que contiene polielectrolitos, entonces las moléculas se enrollan, porque la repulsión eléctrica de las cadenas es apantallada por la sal.

Sin embargo, "el juego es muy diferente cuando tienes dipolos", dice Murugappan Muthukumar, profesor Wilmer D. Barrett en Ciencia e Ingeniería de Polímeros en UMass Amherst, autor principal del estudio.

Mientras que muchas moléculas tienen carga positiva o negativa, los dipolos tienen ambas. Esto significa que los polímeros compuestos por dipolos se comportan de manera muy diferente a los polielectrolitos más familiares, que tienen una carga eléctrica positiva o negativa:se expanden en una solución salina y pueden formar enlaces cruzados con otras cadenas de polímeros dipolares, lo que conduce a la formación de estructuras poliméricas complejas.

Di Jia, quien completó esta investigación como parte de su formación postdoctoral en UMass Amherst y es la autora principal del estudio, dice que "los dipolos pueden hacer que los polielectrolitos se comporten más como polizwitteriones, que exhiben un 'efecto anti-polielectrolito'". Este efecto también es una característica de los polizwitteriones químicos tradicionales, cuyos dipolos están hechos de enlaces químicos. Por lo tanto, para los polizwitteriones físicos en soluciones diluidas, el tamaño del polímero aumenta con el aumento de la fuerza iónica, exhibiendo una transición de glóbulo a bobina debido a las interacciones dipolo dentro de la cadena".

Los polímeros dipolares son capaces de formar estructuras autorreguladoras complejas que podrían emplearse en todo, desde sistemas de administración de fármacos hasta polímeros de próxima generación. "Teorizamos que estas fuerzas dipolares en macromoléculas cargadas juegan un papel importante en casi todos los procesos de ensamblaje biológico, como el nacimiento espontáneo de orgánulos sin membrana", dice Muthukumar.

Además, estos polímeros compuestos por dipolo exhiben un estado "intermedio", llamado "mesomorfismo". En el estado mesomórfico, los polímeros no están ni muy dispersos ni muy enrollados, sino que se congregan en estructuras grandes, estables y uniformes que tienen la capacidad de "autoenvenenarse" o disolverse.

"La importancia del descubrimiento de que los dipolos impulsan el ensamblaje de polímeros es inmensa", dice Muthukumar, "porque arroja nueva luz sobre uno de los misterios fundamentales de los procesos de la vida", o cómo los materiales biológicos saben cómo autoensamblarse en coherentes, estructuras estables. "La teoría cambia el paradigma de cómo pensamos sobre estos sistemas y destaca el papel no reconocido que juegan los dipolos en el autoensamblaje de los materiales biológicos". + Explora más

Ensamblaje de materiales mediante polímeros cargados