Un equipo internacional de científicos ha conseguido, por primera vez, modificar los enlaces entre átomos de una molécula individual con pulsos eléctricos. El hallazgo, que ha merecido la portada de la revista ‘Science’, supone un control sin precedentes del mundo de lo más pequeño y abre una nueva vía para el desarrollo de las sofisticadas nanomáquinas , que podrían emplearse para múltiples aplicaciones: desde ayudar a crear nuevos materiales hasta la identificación de células tumorales dentro del cuerpo.
“Lo que nos mueve es cambiar los libros de química”, afirma Diego Peña, coautor del estudio en el Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS) en la Universidad de Santiago de Compostela. Este centro ha colaborado con investigadores internacionales, entre ellos los de IBM Research en Zúrich (Suiza), para sacar adelante el proyecto.
En las moléculas, los átomos están unidos mediante enlaces formando una estructura tridimensional de tamaño nanométrico. Moléculas con el mismo número y tipo de átomos pueden presentar sus enlaces de diferentes formas, lo que quiere decir que sus átomos están conectados de formas distintas. Estos compuestos se denominan isómeros estructurales y aportan una variabilidad extraordinaria al mundo molecular.
Ahora, los científicos han hallado un método que permite transformar un isómero estructural en otro, reconectando sus enlaces a voluntad en función de un estímulo externo. Para conseguirlo, aplicaron distintos voltajes con la punta de un microscopio de sonda de barrido (STM) sobre una molécula formada por cuatro anillos de carbono, induciendo cambios muy precisos en la estructura de estos anillos.
“Desde el siglo XIX los químicos intentamos cambiar la conectividad entre los átomos en las moléculas para obtener nuevas funcionalidades”, señala Peña. “La novedad es que ahora lo podemos hacer de forma extremadamente precisa y sobre moléculas individuales, como si dispusiésemos de pinzas nanométricas del tamaño de las moléculas”, explica.
Además, los investigadores pueden hacerlo una y otra vez, como si jugaran a un Lego microscópico. “No solo controlamos qué enlaces se forman, además lo hacemos de forma reversible, podemos cambiar una y otra vez entre las distintas estructuras de forma repetida”, afirma Leo Gross, investigador de IBM y también firmante del estudio. “Lo hemos hecho mucha veces, funciona a demanda. Es como tener un interruptor molecular”, confirma Peña.
El investigador de IBM cree que la formación selectiva y reversible de enlaces puede favorecer la creación de nuevos motores moleculares con funciones y tareas más complejas. Se trata de nanomáquinas que pueden llevar a cabo una determinada tarea en respuesta a un estímulo externo. Podrían ser útiles como catalizadores químicos o para transportar medicinas en la sangre de un paciente. Sin ir más lejos, nuestro propio cuerpo alberga un gran número de máquinas moleculares con funciones tan vitales como la replicación del ADN.
Diseñar máquinas artificiales y sintetizarlas en el laboratorio es una tarea muy compleja, por la que Jean Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart y Ben L. Feringa lograron el Premio Nobel en 2016. La posibilidad de crear y romper enlaces dentro de una molécula individual supone el control deliberado sobre su estructura lo que, a su vez, constituye la base de las máquinas moleculares. “Al tener el control sobre la conectividad entre los átomos, podemos abordar la fabricación de diseños más complejos” explica Peña.
Ciencia ficción
Sin embargo, el investigador es reacio a imaginar para qué se podría utilizar estas máquinas moleculares. “Lo realmente importante de este estudio es la investigación básica, dominar las moléculas y avanzar en el conocimiento. No se deben crear expectativas exageradas porque no se puede predecir exactamente para qué va a servir lo que hacemos. Es como el láser, que cuando se inventó tampoco se sabía lo que se iba a hacer con él”, reflexiona Peña. “Quizás un día puedan introducirse en el cuerpo para identificar células tumorales y eliminarlas antes de que se desarrolle un tumor, pero de momento es ciencia ficción y quizás eso no suceda nunca”, advierte.
Los investigadores prevén seguir avanzando sobre este conocimiento, de momento ciencia básica, indispensable para que algún día se encuentren esas aplicaciones soñadas. Entre sus próximos pasos contemplan la posibilidad de que las reacciones sean desencadenadas mediante luz o transfiriendo electrones entre las distintas partes de una misma molécula, en vez de hacerlo mediante la punta de un microscopio STM. Un paso más en la historia de la química.