Estructura molecular del MOF funcionalizado con rotaxano.(A ) Representación de un conector orgánico que conecta cuatro Zn4 inorgánicos Oh esquinas. La imagen de la izquierda esboza la estructura del bloque de construcción, la imagen del centro muestra una imagen atomística del bloque de construcción en representación de bola y palo, y la imagen de la derecha muestra una simplificación de la imagen atomística. Las esquinas inorgánicas se visualizan con grandes bolas amarillas y el travesaño molecular (eje rotaxano) se simplifica con una barra roja. (B ) Visualización de la estructura del poro a partir de la z dirección (vista superior). La imagen en la esquina superior izquierda muestra la orientación del bloque de construcción desde la z dirección. La imagen del lado derecho muestra la estructura de poros de la estructura MOF ensamblada periódicamente. Para mayor claridad, se omiten diferentes partes del MOF, destacando la disposición de las barras transversales (extracto superior derecho, simplificado por una representación de barras de colores), los enlazadores orgánicos (extracto inferior izquierdo) y los anillos (extracto inferior derecho). La vista ampliada ilustra la disposición relativa de tres enlazadores dentro de un poro. (C ) Ilustración de la disposición de los travesaños en la z dirección. La imagen superior muestra una vista en perspectiva de la hélice molecular, formada por las barras transversales dentro de un poro. La imagen inferior muestra la disposición en forma de cadena a lo largo de la z dirección. La delgada conexión gris entre las barras transversales (palos de colores) es solo una guía para el ojo que enfatiza la estructura de la cadena. (D ) Diferenciación de arreglos de anillos en tres casos, cada uno con diferentes entornos locales. (E ) Función de distribución radial (RDF) que mide la distancia relativa entre los anillos para los tres casos (M , gráfico violeta; D , gráfico verde; T , gráfico azul oscuro). La línea roja marca la distancia a una cadena unidimensional adyacente. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn4426
Los físicos de la Universidad de Münster son los primeros en revelar con éxito la interacción dinámica de una clase de máquinas moleculares artificiales, los llamados transbordadores moleculares, mediante el uso de simulaciones de dinámica molecular. El estudio se ha publicado ahora en Science Advances .
Las máquinas moleculares controlan un número considerable de procesos fundamentales en la naturaleza. Incrustados en un entorno celular, estos procesos juegan un papel central en el transporte intracelular e intercelular de moléculas, así como en la contracción muscular en humanos y animales. Para que todo el organismo funcione, es esencial una orientación y una disposición bien definidas de las máquinas moleculares. Por ejemplo, la incorporación específica de proteínas motoras, que forman una clase de máquinas biomoleculares, permite que tenga lugar una interacción dinámica entre las innumerables proteínas. Como resultado, el movimiento a nivel molecular se amplifica y transfiere a través de varias magnitudes hasta el nivel macroscópico.
Inspirándose en estos sistemas biológicos, el desarrollo de materiales de tipo celular basados en máquinas moleculares artificiales es un campo de investigación actual. Para utilizar la cooperatividad molecular de estas máquinas en materiales correspondientes específicamente para aplicaciones en ciencia de materiales o medicina, es decisiva una comprensión detallada tanto de la incrustación molecular en una matriz como de las interacciones intermoleculares. Elena Kolodzeiski y el Dr. Saeed Amirjalayer del Instituto de Física de la Universidad de Münster son los primeros en revelar con éxito la interacción dinámica de una clase de máquinas moleculares artificiales, los llamados transbordadores moleculares, mediante el uso de simulaciones de dinámica molecular.
Los transbordadores moleculares se construyen a partir de moléculas con forma de mancuerna y de anillo que están unidas entre sí mediante enlaces mecánicos. "Este enlace mecánico a nivel molecular hace que el anillo pueda moverse de un lado a otro a lo largo del eje. Este movimiento de péndulo específico ya se ha utilizado para desarrollar máquinas moleculares", explica Amirjalayer, quien dirigió el estudio y recientemente se trasladó al Instituto de Teoría del Estado Sólido de la Universidad de Münster.
En base a esto, los investigadores de todo el mundo están trabajando en un uso específico de estas máquinas moleculares en materiales funcionales. Los marcos organometálicos, que se ensamblan en un enfoque modular mediante unidades de construcción orgánicas e inorgánicas, se muestran como una matriz prometedora para incrustar estas moléculas interconectadas mecánicamente en estructuras de tipo celular. Aunque se ha sintetizado una serie de estos sistemas en los últimos años, en su mayoría ha faltado una comprensión fundamental de los procesos dinámicos en estos materiales.
"Nuestro estudio proporciona una visión detallada de cómo funcionan e interactúan las máquinas integradas", dice la autora principal Elena Kolodzeiski. "Al mismo tiempo, pudimos derivar parámetros que hacen posible variar el tipo de movimiento de los transbordadores moleculares dentro de los marcos organometálicos".
Un control específico de la dinámica ofrece posibilidades prometedoras para influir en las propiedades de transporte de moléculas en membranas o para coordinar procesos catalíticos. Los investigadores esperan que sus simulaciones de dinámica molecular sirvan de base para nuevos tipos de materiales para aplicaciones médicas y catalíticas. Las diversas funcionalidades de las máquinas moleculares en las células biológicas muestran cuán eficientes pueden ser tales materiales. Investigadores crean una película fotográfica de un interruptor molecular
