La figura muestra la configuración de las pinzas magnéticas para la detección de fuerza de un motor molecular único (izquierda) y dos trayectorias registradas que muestran el movimiento gradual rápido del motor (derecha, contra una fuerza opuesta de 1,5 pN). El panel superior e inferior de la derecha muestra los eventos de paso individuales registrados del motor molecular con fluctuaciones en la velocidad de movimiento típicas de los experimentos de una sola molécula. Un solo nanomotor bípedo con una pista larga se ensambla a partir de muchas moléculas cortas de ADN monocatenario bajo una perla paramagnética. El motor se mueve de forma autónoma al consumir un ADN monocatenario corto como combustible con la ayuda de una enzima proteica. El movimiento del motor molecular es contra una fuerza hacia atrás aplicada a la perla, lo que permite la medición del movimiento de resistencia a la carga y la salida de fuerza del motor. Crédito:Nanoescala (2021). DOI:10.1039/D1NR02296B
Físicos de la Universidad Nacional de Singapur han demostrado que un solo motor molecular hecho por el hombre puede exhibir una fuerza similar a las que ocurren naturalmente que impulsan los músculos humanos. Sus resultados se publican en Nanoescala .
Los motores moleculares son una clase de máquinas con dimensiones a nanoescala que son agentes esenciales de movimiento en los organismos vivos. Aprovechan varias fuentes de energía dentro del cuerpo para generar movimiento mecánico. Una característica clave es la fuerza generada por un solo motor durante su movimiento autopropulsado. Esta capacidad de generación de fuerza permite que el motor molecular entregue trabajo mecánico y es una medida de su eficiencia de conversión de energía, lo que influye en su uso en aplicaciones potenciales.
La medición de la fuerza generada por motores moleculares naturales, que generalmente están hechos de proteínas, se logró hace dos décadas. Sin embargo, mediciones similares para motores moleculares artificiales hechos por el hombre hechos de ADN (ácido desoxirribonucleico) siguen siendo un desafío. Una colaboración de investigación entre el Laboratorio de Motores Moleculares del Profesor Asociado Zhisong Wang y el Laboratorio de Biofísica de Molécula Única del Profesor Jie Yan, ambos del Departamento de Física, NUS ha logrado detectar la fuerza generada por un motor molecular de ADN en movimiento.
Es difícil detectar las fuerzas creadas por un solo motor molecular en movimiento para los motores artificiales porque son pequeños y en su mayoría operan en pistas blandas (por ejemplo, ADN de doble cadena). Las pistas blandas no están fijas en su posición y tienden a enrollarse en forma circular. Esto afecta el movimiento del motor artificial. El equipo de investigación superó esta dificultad diseñando y ejecutando en paralelo experimentos de una sola molécula que mantuvieron las pistas en su lugar a nivel de nanoescala y al mismo tiempo detectaron la minúscula fuerza creada por el motor molecular en movimiento. Usando la técnica de pinzas magnéticas, primero ensamblaron un motor molecular artificial y su pista bajo una perla paramagnética (herramienta para el aislamiento de biomoléculas). Luego cambiaron la perla paramagnética a un modo de detección de fuerza (ver Figura).
El equipo de investigación aplicó con éxito su método a un motor molecular de ADN autónomo (anteriormente desarrollado por el laboratorio del profesor Wang). Este motor molecular bípedo es capaz de "caminar" consecutivamente por sí mismo con una longitud de zancada de unos 16 nm entre cada paso, proporcionando una salida de fuerza máxima de alrededor de 2 a 3 pN. Esta salida de fuerza medida está en un nivel que está cerca de los motores moleculares naturales que alimentan los músculos humanos, lo que indica una conversión razonablemente eficiente de energía química en movimiento mecánico.
El profesor Wang dijo:"Este estudio allana el camino para el desarrollo de aplicaciones asociadas con motores moleculares artificiales traslacionales que requieren la generación de fuerzas. Los ejemplos incluyen robots moleculares y músculos artificiales biomiméticos. Por separado, el método de una sola molécula establecido en este trabajo es aplicable a la medición de fuerza de muchos otros motores moleculares artificiales con pistas blandas". Físicos crean motores moleculares autodirigidos que caminan sobre rieles
