Control con luz, en tiempo real, del autoensamblaje en una red de reacciones químicas

02.09.2024

Autoensamblaje de una molécula de aldehído, produciendo fibras en forma de estrella, que luego desaparecen al iniciar la desactivación. Imagen: Jorge Santos Valera.

• Investigadores de IMDEA Nanociencia controlan la activación y desactivación del autoensamblaje de una molécula a través de luz, utilizando dos longitudes de onda distintas.
• El control de la reacción se lleva a cabo disipativamente, a través del consumo continuo de fueles.
• El control del autoensamblaje en las redes de reacciones químicas artificiales da importante información que puede servir para comprender su análogo en la naturaleza: filamentos de actina, microtúbulos, etc.

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Madrid, 2 de septiembre, 2024. Las moléculas autoensambladas son responsables de importantes procesos celulares. Así, estructuras autoensambladas como los microtúbulos o los filamentos de actina resultan clave para los procesos de motilidad celular: cambio de forma, división o extensión de membranas. Estas entidades autoensambladas tienen la peculiaridad de formarse de manera temporal, dado que requieren un consumo de energía. Inspirado por la naturaleza, existe en la actualidad un área activa de investigación en la que se intenta replicar este proceso de autoensamblaje de forma artificial, utilizando las denominadas redes de reacciones químicas (chemical reaction networks).

En el control del autoensamblaje mediante redes de reacciones químicas se basa en la activación de un monómero propenso al autoensamblaje, que después se desactiva. De esta manera la estructura autoensamblada requiere de un consumo continuo de energía para perpetuarse. Desde un punto de vista químico, esa energía la proporciona un “fuel”, un reactivo químico. Dependiendo de la disponibilidad de esa fuente de energía, se produce el proceso de autoensamblaje o no. Tradicionalmente, se han utilizado fueles altamente reactivos para llevar a cabo la activación, existiendo poco control sobre el proceso de desactivación. Esto también implica que los fueles de activación y desactivación tienden a reaccionar entre sí, haciendo que los procesos de autoensamblaje disipativos artificiales sean poco efectivos. En la naturaleza, estos dos procesos están controlados por catalizadores, lo que aumenta su eficiencia. Así, la introducción de catalizadores en estos procesos y el control de su actividad por estímulos externos como la luz son altamente deseables, dado que pueden limitar parte de estos problemas.

En el Grupo de Química de Sistemas, liderado por el Dr. Thomas Hermans en IMDEA Nanociencia, se estudian procesos de autoensamblaje disipativo, o cómo organizar las moléculas para que formen estructuras organizadas consumiendo fuel. En trabajos previos, los investigadores ya estudiaron cómo utilizar un fotocatalizador, una sustancia activable con luz que aumenta la velocidad de la reacción, para realizar ciclos de autoensamblaje. Ahora, en un trabajo reciente, se ha llevado a cabo el uso de dos procesos catalíticos modulados por luz para controlar la activación y desactivación, respectivamente, y que, utilizando dos longitudes de onda, han permitido tener un mejor control sobre la vida de la especie autoensamblada.

Al utilizar un fotocatalizador en la primera parte del ciclo, los investigadores pudieron almacenar el fuel en el sistema hasta que se quiso iniciar la reacción. En concreto, se irradió el monómero con luz azul iniciando así el proceso de autoensamblaje transitorio del aldehído mediante el consumo de oxígeno. Después, se inició la desactivación de la estructura autoensamblada irradiando con luz ultravioleta. Esta luz permitía liberar un segundo fuel (formato) que lanzaba el ciclo catalítico de desactivación. La novedad principal del trabajo es que se ha conseguido tener un proceso de autoensamblaje transitorio y autónomo activable con luz, así como cierto control sobre la vida de la especie autoensamblada mediante la irradiación de luz.

De esta manera, realizar la activación y desactivación de la estructura autoensamblada con luces de dos longitudes de onda distintas supone una gran ventaja, porque limita la reactividad entre fueles y permite controlar mejor  la desactivación de la molécula autoensamblada. El Dr. Jorge S. Valera, autor principal del trabajo, comenta: “Tenemos un sistema muy complejo de diversas moléculas, en el que es muy difícil controlar individualmente todos los procesos que se llevan a cabo, y globalmente lo que observamos es que somos capaces de controlar la vida de la estructura autoensamblada al acoplar dos procesos catalíticos activados con luces de distinta longitud de onda.”

Estos resultados, publicados en Angewandte Chemie, se enmarcan dentro de materiales llamados “life-like” que intentan emular el comportamiento de la naturaleza, siendo capaces de tomar señales del entorno y procesarlas, como un “software químico”. Controlando la activación y desactivación de la especie autoensamblada disipativamente se pueden observar y estudiar comportamientos análogos a los que se observan en las células: oscilaciones al formar/destruir rápidamente esa estructura, acoplando dos procesos de activación/desactivación y sometiéndolo a una ruptura, y forzando condiciones fuera del equilibrio en las que el sistema se tenga que recuperar muy rápido. Pero el estudio de estas redes de reacciones químicas también pueden dar lugar a materiales con propiedades nuevas, por ejemplo, polímeros que se regeneren, y se podría controlar cuándo se autorreparan, o su tiempo de utilización.

Este trabajo es un resultado de investigación realizado en la Universidad de Estrasburgo y el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia, y ha sido parcialmente financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC 757910), las Acciones Marie Sklodowska-Curie (812868) y el sello de Excelencia Severo Ochoa a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).

Referencia:

Jorge S. Valera, Álvaro López-Acosta and Thomas M. Hermans. Photoinitiated transient self-assembly in a catalytically driven chemical reaction cycle. Angewandte Chemie Int. Ed. 2024. DOI: 10.1002/anie.202406931

https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3681

Contacto:

Thomas M. Hermans
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https://www.imdeananociencia.org/systems-chemistry-laboratory/home
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Fuente: IMDEA Nanociencia.