Figura 1. Um pseudo-rotaxano (máquina molecular artificial) em que o movimento translacional da α ciclodextrina (α-CD) coincide com a deuteração. À medida que α-CD se move ao longo da molécula do eixo de duas estações, conforme mostrado pela seta cinza, catalisa a deuteração da molécula do eixo. Crédito:Universidade de Osaka
A vida é conduzida por máquinas moleculares. Encontrado em cada célula, esses minúsculos motores convertem energia química em trabalho para manter o corpo em movimento. A invenção de máquinas moleculares sintéticas, que realizam trabalhos semelhantes para alimentar tecnologias miniaturizadas, é um tema quente na nanociência.
Agora, uma equipe liderada pela Universidade de Osaka inventou uma máquina molecular semelhante a uma catraca - um componente potencial de dispositivos moleculares sofisticados - que permite o movimento em apenas uma direção. Isso permite que o movimento e a reatividade química de uma máquina molecular sejam observados simultaneamente, que tem sido um desafio de longa data.
Um design clássico para máquinas moleculares é um "haltere" simétrico - uma grande molécula cíclica no meio, preso entre bloqueadores volumosos em cada extremidade, ligados por um espaçador. Inspirado por este padrão (conhecido como rotaxano), a equipe de Osaka criou um pseudo-rotaxano, onde todas as três partes - os dois bloqueadores ("estações") e o ciclo central - são pequenos anéis. O estudo foi relatado em Relatórios Científicos .
Ambas as estações de sua máquina molecular são feitas de piridínio, um ciclo de seis membros. Grupos metil (CH3) são anexados a cada estação, como anzóis farpados. Contudo, uma estação carrega um único grupo metil, enquanto a outra extremidade tem dois.
"Essa assimetria estabelece um eixo ao longo do comprimento da molécula, favorecendo o movimento em direção à extremidade com gancho duplo, que atua como uma rolha, "O primeiro autor do estudo, Akihito Hashidzume, diz.
Figura 2. Um modelo cinético simplificado para a formação de pseudo-rotaxano a partir de α-CD e a molécula do eixo de duas estações. Crédito:Universidade de Osaka
O conceito foi demonstrado usando α-ciclodextrina (α-CD), um macrociclo feito de seis anéis de glicose. O anel α-CD é largo o suficiente para caber na extremidade de um gancho e deslizar ao longo da catraca em direção ao batente. A caminho, ele interage com as estações e o anel central. Na verdade, α-CD catalisa uma reação química na qual a molécula tipo catraca troca átomos de hidrogênio com o solvente de água.
Os experimentos de rotulagem confirmaram que essa troca ocorreu apenas em uma extremidade da catraca. Quando a reação foi realizada em água pesada (D2O), átomos de deutério (D) foram encontrados nos grupos metil da estação de um gancho e no anel central, bem como no metileno da segunda estação, mas não a rolha de dois ganchos. Parece que o α-CD passou pelo anel central, mas foi impedido de alcançar os grupos metila da rolha.
Fig.3. Uma ilustração conceitual de uma catraca molecular artificial. O mecanismo de regulação da direção do movimento em máquinas moleculares, com base no acoplamento de movimento com uma reação química conduzida entalpicamente. Crédito:Universidade de Osaka
"Aqui temos uma reação química associada a um movimento enviesado em uma direção, "diz o autor correspondente, Akira Harada." Chamamos isso de 'tradução seletiva de rosto, 'como α-CD prefere passar de uma face do pseudo-rotaxano para a outra. Nós pegamos nossa sugestão da natureza:por meio do movimento de catraca em uma direção, esperamos aproveitar a energia química de forma semelhante aos motores biomoleculares, como aqueles nos músculos. "
