Usando la naturaleza como inspiración, un equipo de científicos de la Universidad Northwestern es el primero en desarrollar una bomba molecular completamente artificial, en el que las moléculas bombean otras moléculas. Esta pequeña máquina no es poca cosa. La bomba algún día podría usarse para alimentar otras máquinas moleculares, como músculos artificiales.

La nueva máquina imita el mecanismo de bombeo de las proteínas vitales que mueven pequeñas moléculas alrededor de las células vivas para metabolizar y almacenar energía de los alimentos. Por su comida la bomba artificial extrae energía de las reacciones químicas, conduciendo moléculas paso a paso desde un estado de baja energía a un estado de alta energía, lejos del equilibrio.

Si bien la naturaleza ha tenido miles de millones de años para perfeccionar su compleja maquinaria molecular, la ciencia moderna apenas está comenzando a arañar la superficie de lo que podría ser posible en el mundo del mañana.

"Nuestra bomba molecular es la química radical, una forma ingeniosa de transferir energía de una molécula a otra, como lo hace la naturaleza, "dijo Sir Fraser Stoddart, el autor principal del estudio. Stoddart es el profesor de química de la Junta Directiva de la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern.

"Todos los organismos vivos, incluidos los humanos, deben transportar y redistribuir continuamente moléculas alrededor de sus células, utilizando proteínas transportadoras vitales, ", dijo." Estamos tratando de recrear las acciones de estas proteínas utilizando pequeñas moléculas relativamente simples que fabricamos en el laboratorio ".

Los detalles de la bomba molecular artificial fueron publicados el 18 de mayo por la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

Chuyang Cheng, estudiante de cuarto año en el laboratorio de Stoddart y primer autor del artículo, ha realizado su doctorado. estudios que investigan moléculas que imitan la maquinaria bioquímica de la naturaleza. Primero diseñó una bomba artificial hace dos años, pero requirió más de un año de pruebas de prototipos antes de que encontrara la estructura química ideal.

"En ciertos sentidos, estamos pidiendo a las moléculas que se comporten de una manera que no lo harían normalmente, ", Dijo Cheng." Es muy parecido a tratar de juntar dos imanes. Las moléculas en forma de anillo con las que trabajamos se repelen entre sí en circunstancias normales. La bomba artificial puede desviar parte de la energía que cambia de manos durante una reacción química y la usa para juntar los anillos ".

La diminuta máquina molecular enhebra los anillos alrededor de una cadena nanoscópica, una especie de eje, y junta los anillos. con solo unos pocos nanómetros separándolos. En el presente, la bomba molecular artificial es capaz de forzar solo dos anillos juntos, pero los investigadores creen que no pasará mucho tiempo antes de que puedan extender su funcionamiento a decenas de anillos y almacenar más energía.

El equipo de Stoddart ha estado investigando máquinas moleculares artificiales durante varios años. Un desafío al que se han enfrentado durante mucho tiempo es cómo alimentar sus máquinas. Este último avance puede permitirles fabricar máquinas que realicen tareas a nivel molecular.

Comparado con el sistema de la naturaleza, la bomba artificial es muy simple, Pero es un comienzo, dicen los investigadores. Han diseñado un sistema novedoso, utilizando barreras cinéticas, que permite que las moléculas fluyan "cuesta arriba" enérgicamente.

"Esta es la química de no equilibrio, mover moléculas lejos de su estado de energía mínima, que es esencial para la vida, "dijo Paul R. McGonigal, un autor del estudio. "Conduciendo química de desequilibrio de esta manera, con simples moléculas artificiales, es uno de los mayores desafíos para la ciencia en el siglo XXI ".

Por último, pretenden utilizar la energía almacenada en su bomba para impulsar músculos artificiales y otras máquinas moleculares. Los investigadores también esperan que su diseño inspire a otros químicos que trabajan en la química del equilibrio.

"Esto es completamente diferente al proceso de diseño de la maquinaria que estamos acostumbrados a ver en la vida cotidiana, "Dijo Stoddart." En cierto modo, hay que aprender a ver las cosas desde el punto de vista de las moléculas, considerando fuerzas como el movimiento térmico aleatorio que uno nunca consideraría al construir una bomba de agua agrícola o cualquier otro dispositivo mecánico ".