Fluorescencia lograda en motores moleculares impulsados ​​por luz

Los motores moleculares rotativos se crearon por primera vez en 1999, en el laboratorio de Ben Feringa, profesor de química orgánica en la Universidad de Groningen. Estos motores son impulsados ​​por la luz. Por muchas razones, sería bueno poder hacer visibles estas moléculas motoras. La mejor manera de hacer esto es hacerlos fluorescentes. Sin embargo, combinar dos funciones mediadas por la luz en una sola molécula es todo un desafío. El laboratorio de Feringa ahora ha logrado hacer precisamente eso, de dos maneras diferentes. Estos dos tipos de motores rotativos impulsados ​​por luz fluorescente se describieron en Comunicaciones de la naturaleza (30 de septiembre) y Avances de la ciencia (4 de noviembre).

«Después del diseño exitoso de motores moleculares en las últimas décadas, un próximo objetivo importante era controlar varias funciones y propiedades utilizando dichos motores», explica Feringa, quien compartió el Premio Nobel de Química en 2016. motores rotativos, es particularmente desafiante diseñar un sistema que tenga otra función controlada por la energía de la luz, además del movimiento rotatorio».

Feringa y su equipo estaban especialmente interesados ​​en la fluorescencia, ya que se trata de una técnica principal que se utiliza ampliamente para la detección, por ejemplo, en imágenes biomédicas. Por lo general, dos eventos fotoquímicos de este tipo son incompatibles en la misma molécula; el motor impulsado por luz funciona y no hay fluorescencia o hay fluorescencia y el motor no funciona. Feringa dice: «Ahora hemos demostrado que ambas funciones pueden existir en paralelo en el mismo sistema molecular, que es bastante único».

Ryojun Toyoda, investigador postdoctoral en el grupo Feringa, que ahora ocupa un puesto de profesor en la Universidad de Tohoku en Japón, agregó un tinte fluorescente a un motor rotativo clásico de Feringa. «El truco consistía en evitar que estas dos funcionalidades se bloquearan entre sí», dice Toyoda. Se las arregló para apagar las interacciones directas entre el tinte y el motor. Esto se hizo colocando el tinte perpendicular a la parte superior del motor al que estaba unido. «Esto limita la interacción», explica Toyoda.

Colores diferentes

De esta forma, la fluorescencia y la función rotatoria del motor pueden coexistir. Además, resultó que cambiar el solvente le permite sintonizar el sistema: «Al variar la polaridad del solvente, se puede cambiar el equilibrio entre ambas funciones». Esto significa que el motor se ha vuelto sensible a su entorno, lo que podría señalar el camino para futuras aplicaciones.

La coautora Shirin Faraji, profesora de Química Teórica en la Universidad de Groningen, ayudó a explicar cómo sucede esto. Kiana Moghaddam, una postdoctoral de su grupo, realizó extensos cálculos de mecánica cuántica y demostró cómo la energía clave que gobierna la dinámica fotoexcitada depende en gran medida de la polaridad del solvente.

Otra propiedad útil de esta molécula motora fluorescente es que se le pueden unir diferentes tintes siempre que tengan una estructura similar. «Entonces, es relativamente fácil crear motores que brillen en diferentes colores», dice Toyoda.

Antena

Lukas Pfeifer construyó un segundo motor fluorescente, también mientras trabajaba como investigador postdoctoral en el grupo Feringa. Desde entonces, se unió a la École Polytechnique Fédérale en Lausana, Suiza: «Mi solución se basó en una molécula motora que ya había creado, que es impulsada por dos fotones del infrarrojo cercano de baja energía». Los motores que funcionan con luz infrarroja cercana son útiles en los sistemas biológicos, ya que esta luz penetra más profundamente en el tejido que la luz visible y es menos dañina para el tejido que la luz ultravioleta.

«Agregué una antena a la molécula del motor que recolecta la energía de dos fotones infrarrojos y la transfiere al motor. Mientras trabajábamos en esto, descubrimos que con algunas modificaciones, la antena también podría causar fluorescencia», dice Pfeifer. Resultó que la molécula puede tener dos estados excitados diferentes: en un estado, la energía se transfiere a la parte del motor e impulsa la rotación, mientras que el otro estado hace que la molécula emita fluorescencia.

Energía

«En el caso de este segundo motor, toda la molécula emite fluorescencia», explica el profesor Maxim Pshenichnikov, que realizó análisis espectroscópicos de ambos tipos de motores fluorescentes y es coautor de ambos artículos. «Este motor es una entidad química en la que la función de onda no está localizada y, según el nivel de energía, puede tener dos efectos diferentes. Al alterar la longitud de onda de la luz y, por lo tanto, la energía que recibe la molécula, se obtiene una rotación o fluorescencia». Faraji agrega: «Nuestro enfoque sinérgico en principio y en la práctica destaca la interacción entre los estudios teóricos y experimentales, e ilustra el poder de tales esfuerzos combinados».

Ahora que el equipo ha combinado tanto el movimiento como la fluorescencia en la misma molécula, el próximo paso sería mostrar la motilidad y detectar la ubicación de la molécula simultáneamente al rastrear la fluorescencia. Feringa dice: «Esto es muy poderoso y podríamos aplicarlo para mostrar cómo estos motores podrían atravesar una membrana celular o moverse dentro de una célula, ya que la fluorescencia es una técnica ampliamente utilizada para mostrar dónde están las moléculas en las células. También podríamos usarla para rastrear el movimiento inducido por el motor alimentado por luz, por ejemplo, en una trayectoria a nanoescala o tal vez rastrear el transporte inducido por el motor en la nanoescala. Todo esto es parte de la investigación de seguimiento».