Considere um pequeno pedaço de corda - você poderia adivinhar quais nós têm mais probabilidade de se formar se você amassar e sacudir? Químicos sintéticos vêm trabalhando há muito tempo em uma versão molecular deste problema, e até agora, conseguiram sintetizar meia dúzia de tipos de nós usando técnicas de automontagem molecular. Mas que outros tipos de nós podem ser realizados no futuro? Esta é a questão desafiadora que os cientistas da SISSA, em associação com a Universidade de Pádua, abordaram o uso de simulações de computador neste novo trabalho publicado em Nature Communications .

Os cientistas identificaram uma lista restrita, uma espécie de "tabela periódica" dos tipos de nós mais projetáveis, isto é, aqueles nós que poderiam facilmente se auto-montar sob condições físicas e químicas apropriadas. As evidências, obtidos com modelos preditivos computacionais, são suportados pelos últimos resultados experimentais e devem auxiliar na síntese de topologias ainda não descobertas. Este estudo, e a capacidade cada vez mais preditiva das técnicas de modelagem molecular, pode criar novas possibilidades para futuras aplicações avançadas, como a construção de máquinas moleculares sofisticadas para carregar e entregar cargas em nanoescala.

Não é apenas um desafio intelectual

“Há um interesse científico crescente em moléculas complexas. Nesse contexto, a possibilidade de projetar e sintetizar novos tipos de nós moleculares é particularmente atraente, "diz Mattia Marenda, primeiro autor desta pesquisa.

"Até recentemente, apenas alguns tipos de nós moleculares foram sintetizados. Esses eram os nós mais simples em tabelas matemáticas, ou seja, aqueles que têm no máximo 5 cruzamentos essenciais. "Poder-se-ia ter previsto que o próximo tipo de nó a ser sintetizado teria seis cruzamentos. No entanto, em um estudo computacional de 2015, o co-autor Cristian Micheletti e colaboradores argumentaram que o tipo de nó não descoberto mais simples e mais projetável era significativamente mais complexo e apresentava até oito cruzamentos essenciais. Esta previsão foi confirmada experimentalmente em 2017 e motivou o presente estudo, que empregou uma exploração mais sistemática das formas ou configurações que podem ser formadas a partir de blocos de construção idênticos costurados juntos em uma forma semelhante a um fio.

"Com esses modelos, buscamos descobrir quais novos tipos de nós moleculares, caso existam, seria mais fácil de obter com as técnicas atuais de química sintética, particularmente auto-montagem. Descobrimos que esses tipos de nós privilegiados existem, mas são muito raros. Apenas uma dúzia de topologias diferentes são realizáveis ​​entre milhões de tipos de nós simples. Os resultados dos nossos modelos tinham uma simplicidade inerente, "diz Marenda." A tecelagem molecular desses tipos de nós é modular e altamente simétrica. Usamos esses recursos como critérios de seleção para peneirar o enorme espaço combinatório de padrões de tecelagem molecular e obtivemos uma lista de tipos de nós que seriam facilmente montados a partir de alguns blocos de construção idênticos. "

"A lista é semelhante a uma tabela periódica, na medida em que é organizado em linhas e colunas que refletem diferentes aspectos da dificuldade esperada de realização prática, "continua Micheletti." Os resultados são suportados por experimentos recentes e isso sugere que a tabela poderia realmente ser útil para químicos experimentais para escolher as topologias alvo para estudos e aplicações posteriores. "

Quais são os possíveis resultados de longo prazo desta pesquisa? "Neste momento, "explica Marenda, "Químicos e físicos têm se concentrado principalmente em demonstrações de prova de conceito do projeto e da síntese de nós moleculares. No entanto, vias de aplicativos interessantes já foram sugeridas. "

Um exemplo importante é a montagem de gaiolas moleculares:"Neste caso, substâncias específicas poderiam ser aninhadas ou aprisionadas em tecidos de nós moleculares sintéticos. Este último poderia servir como uma máquina molecular controlável, capaz de carregar ou liberar uma carga em nanoescala dependendo das condições físico-químicas específicas. Estas são perspectivas interessantes e atraentes para possíveis aplicações em medicina ou eletrônica. "