Ao longo de bilhões de anos, a evolução encontrou maneiras inteligentes de dobrar proteínas para fazer muitas tarefas. As pessoas não podem esperar tanto tempo. A busca por novos materiais sintéticos - como polímeros mais fortes e medicamentos mais direcionados - faz os químicos buscarem melhores maneiras de controlar as formas das moléculas. O químico Severin Schneebeli da Universidade de Vermont descobriu um revolucionário. Crédito:Joshua Brown
Levante as duas mãos. Eles são idênticos em estrutura, mas espelham opostos. Não importa o quanto você tente, eles não podem ser sobrepostos um ao outro. Ou, como os químicos diriam, eles têm "quiralidade, "da palavra grega para mão. Uma molécula quiral vem em duas idênticas, mas oposto, formulários, como uma mão esquerda e uma direita.
O químico Severin Schneebeli da Universidade de Vermont inventou uma nova maneira de usar a quiralidade para fazer uma chave inglesa. Uma chave inglesa em nanoescala. A descoberta de sua equipe permite que eles controlem com precisão as formas em nanoescala e promete ser um método altamente preciso e rápido de criar moléculas personalizadas.
Este uso de "síntese assistida por quiralidade" é uma abordagem fundamentalmente nova para controlar a forma de grandes moléculas - uma das necessidades básicas para fazer uma nova geração de materiais sintéticos complexos, incluindo polímeros e medicamentos.
Os resultados da equipe UVM foram apresentados online, 9 de setembro, no jornal de química mais bem classificado Angewandte Chemie .
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Fazendo experiências com antraceno, uma substância encontrada no carvão, Schneebeli e sua equipe montaram tiras de moléculas em forma de C que, por causa de sua quiralidade, são capazes de se unir em apenas uma direção. "Eles são como Legos, "Schneebeli explica. Essas tiras moleculares formam uma estrutura rígida que é capaz de conter anéis de outros produtos químicos" de maneira semelhante a como uma cabeça de parafuso de cinco lados se encaixa em uma chave pentagonal, "escreve a equipe.
As tiras em forma de C podem se juntar umas às outras, com dois laços, em apenas uma orientação geométrica. Então, ao contrário de muitas estruturas químicas - que têm a mesma fórmula geral, mas são flexíveis e podem torcer e girar em muitas formas possíveis diferentes - "isso tem apenas uma forma, "Schneebeli diz." É como uma chave de fenda real, "diz ele - com uma abertura cem mil vezes menor que a largura de um cabelo humano:1,7 nanômetro.
Uma chave inglesa azul (de moléculas) para ajustar um parafuso verde (um anel pilar) que liga um "hóspede" químico amarelo. É uma nova ferramenta - com apenas 1,7 nanômetro de largura - que pode ajudar os cientistas a catalisar e criar uma série de novos materiais úteis. Crédito:Severin Schneebeli, UVM
"Mantém completamente a sua forma, " ele explica, mesmo em vários solventes e em muitas temperaturas diferentes, "o que o torna pré-organizado para se ligar a outras moléculas de uma maneira específica, " ele diz.
Esta chave, o novo estudo mostra, pode se ligar de forma confiável a uma família de grandes moléculas conhecidas chamadas "macrociclos pilares". Esses anéis de pilareno têm, eles mesmos, frequentemente usado como o "host, "em linguagem de química, cercar e modificar outros produtos químicos "convidados" em seu meio - e eles têm muitas aplicações possíveis, desde a entrega controlada de drogas até substâncias orgânicas emissoras de luz.
“Ao abraçar pilares, "a equipe de Vermont escreve, "as tiras em forma de C são capazes de regular as interações de hospedeiros pilares com hóspedes convencionais." Em outras palavras, os químicos podem usar sua nova chave para ajustar remotamente o ambiente químico dentro do pilar da mesma forma que um mecânico pode girar um parafuso externo para ajustar o desempenho dentro de um motor.
A nova chave pode tornar a ligação ao interior dos anéis de pilar "cerca de cem vezes mais forte, "do que seria sem a chave inglesa, Schneebeli diz.
Fazendo modelos
Também, "porque este tipo de molécula é rígida, podemos modelá-lo no computador e projetar sua aparência antes de sintetizá-lo no laboratório, "diz o químico teórico UVM Jianing Li, Colaborador de Schneebeli na pesquisa e coautor do novo estudo. Que é exatamente o que ela fez, criando simulações detalhadas de como a chave funcionaria, usando processadores de computador no Vermont Advanced Computing Core.
"Esta é uma ideia revolucionária, "Li disse, “Temos 100% de controle da forma, o que proporciona uma grande economia atômica - e nos permite saber o que acontecerá antes de começarmos a sintetizar no laboratório. "
No laboratório, pesquisador de pós-doutorado e autor principal Xiaoxi Liu, Zackariah Weinert, e outros membros da equipe foram guiados por simulações de computador para testar a química real. Usando um espectrômetro de massa e um espectrômetro de NMR no departamento de química UVM, a equipe conseguiu confirmar a ideia de Schneebeli.
Simplicidade Criativa
Sir Fraser Stoddart, um químico líder mundial na Northwestern University, descreveu o novo estudo como, "Brilhante e elegante! Criativo e simples." E, na verdade, é a simplicidade da abordagem que o torna poderoso, Schneebeli diz. "É tudo baseado na geometria que controla a simetria das moléculas. Esta é a única forma que pode assumir - o que o torna muito útil."
Próximo, a equipe tem como objetivo modificar as peças em forma de C - que são amarradas com duas ligações formadas entre dois nitrogênios e bromo - para criar outras formas. "Estamos fazendo um tipo especial de espiral que será flexível como uma mola real, "Schneebeli explica, mas manterá sua forma mesmo sob grande estresse.
"Esta forma helicoidal pode ser super resistente e flexível. Ela pode criar novos materiais, talvez para capacetes ou materiais mais seguros para o espaço, "Schneebeli diz." No quadro geral, este trabalho nos aponta para materiais sintéticos com propriedades que, hoje, nenhum material tem. "
