Jean Pierre SAUVAGE (París, 1944), J. Fraser STODDART (Edimburgo, 1942) y Bernard L. FERINGA (Barger Compaseuum, Holanda, 1951) compartieron el premio Nobel de Química en 2016 “por el diseño y síntesis de máquinas moleculares”.

Jean Pierre SAUVAGE se doctoró en 1971 con una tesis dirigida por J.M.Lehn (Nobel de Química 1987) en la Universidad de Estrasburgo, donde es profesor emérito. En su ‘lectura‘ del Nobel, titulada “De la topología química a las máquinas moleculares”, dijo que se dedicó a la síntesis de 2-catenanos, dos anillos moleculares interconectados como lo están los eslabones de una cadena. Topológicamente, no son planares: sus grafos proyectados en un plano requieren cruces para poder ser representados. Utilizó el complejo Cu(dpp)2 como precursor, un anillo de hexágonos aromáticos en cuyo centro hay un átomo de Cu (I). Este anillo se interconecta con una molécula de forma de arco de círculo, empleando una plantilla 3D, porque ambas moléculas tienen fragmentos que se coordinan con el metal de transición central. La reacción fue de bajo rendimiento al principio, pero después fue mejorada y abrió el camino al equipo de Sauvage a la síntesis de otros tipos de catenanos: el 3-catenano, con tres eslabones de cadena; el nudo de trébol; y el de doble interconexión. Asimismo, colaboraron con el equipo de Stoddard para la síntesis de rotaxanos, compuestos que, como los catenanos, sirven para hacer interruptores y máquinas moleculares, esto es, artefactos que pueden efectuar movimientos de gran amplitud de un modo controlable y reversible. El 2-catenano, mediante un equilibrio redox Cu (I) <—> Cu (II) , puede efectuar un movimiento de giro de uno de los anillos. El rotaxano dímero o pseudo 2-rotaxano puede experimentar un movimiento de extensión-contracción imitando las propiedades dinámicas de un músculo mediante el intercambio en equilibrio Cu (I) <—> Zn (II). Evidentemente, estos movimientos son muy primitivos en comparación con los naturales, pero son un comienzo que quizá acabe sirviendo a la computación molecular.

Sir J. Fraser STODDARD se doctoró en 1966 en la Universidad de Edimburgo y es profesor de Química en la Universidad del Noroeste, Evanston, IL. En su ‘lectura’ del Nobel titulada “Moléculas interconectadas mecánicamente (MIMs): lanzaderas, interruptores y máquinas moleculares”, definió como ‘enlace mecánico’ un enlace físico gobernado por fuerzas repulsivas (no atractivas como el enlace químico) que previenen la intersección de los enlaces químicos. Se producen no entre átomos o grupos de átomos, sino entre entidades moleculares denominadas ‘partes componentes’. Dichas partes no pueden separarse sin romper los enlaces químicos. Acerca de las MIMs cundió el escepticismo, dijo ¿Existían? ¿Para qué servían? Pero la estructura de los catenanos y rotaxanos se vio por cristalografía de rayos X y, además, se sintetizaron los 3 y 4 catenanos con buen rendimiento y el 5, llamado olimpiadano por estar constituido por cinco aros. Se llegó hasta el 7-catetano, ramificado. Todos estos compuestos se obtuvieron con plantilla 3D de estructura variable y empleando nuevas estrategias de reacciones de síntesis. La lanzadera molecular, un 2-rotaxano sintetizado a partir de un 2-catenano con un rendimiento de solo el 32%, fue un prototipo para la construcción de interruptores y máquinas basado en moléculas que contengan enlaces mecánicos y sean capaces de transmitir información de manera controlable a niveles supramoleculares. Se trataba de una aproximación a la nanotecnología. Así, el propio 2-rotaxano, con el proceso redox donante-receptor, produce el cambio de posición del anillo unido por enlaces mecánicos, comportándose como un interruptor o, actuando como válvula o cierre, auxiliar a un sistema de suministro controlado de medicamentos. Además, dijo Stoddard, siguen en marcha los estudios sobre máquinas moleculares, transporte unidireccional y bombeo molecular por procesos redox. Este último es el objeto de su investigación más reciente.

Bernard FERINGA se doctoró en 1978 en la Universidad de Groningen, Países Bajos, donde es profesor de Química Orgánica. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “El arte de edificar en pequeño: de los interruptores moleculares a los motores”, dijo que hay que tener en cuenta que los motores moleculares están omnipresentes en los sistemas vivos: en el transporte, en la división celular, en el movimiento muscular y en la producción del ATP que da energía a los procesos vitales. Y que esas máquinas moleculares operan con interacciones no covalentes como la flexibilidad estructural, la viscosidad y la reactividad. Los interruptores moleculares, dijo, son, en general, unidades de almacenamiento de información. Por ejemplo, la visión está basada en una etapa química elemental: la isomerización cis-trans en el doble enlace C=C del cromóforo retinal. Este interruptor posee una estabilidad doble a la luz como señal de entrada. Otros interruptores la poseen a señales diferentes: redox, pH, enlace con iones metálicos, temperatura o estímulos químicos. Los foto-interruptores representan oportunidades como elementos reguladores en aplicaciones biomédicas: ajustando la longitud de onda y la intensidad de la irradiación se pueden controlar cuantitativamente los procesos. Por ejemplo, el antibiótico ciprofloxacino se activa con luz y se auto desactiva en las formas cis-trans del enlace N=N, y los agentes antitumorales con foto respuesta podrían servir para el tratamiento de tumores inaccesibles o pequeños. Feringa empleó como interruptor alquenos superpoblados que al cambiar la longitud de onda de la irradiación modificaban el giro en sentido horario o antihorario. Los motores que llamó de segunda generación consistían en un ‘rotor’ y un ‘estator’ sintetizados aparte y unidos por un doble enlace que actuaba como eje de rotación. Un complejo de paladio- porfirina enlazado covalentemente al motor actuaba como antena para la transferencia de energía suministrada por la luz visible. Considerando que la mayoría de los motores biológicos naturales operan en las interfases, Feringa ancló el estator a la superficie y mantuvo libre el rotor. En el caso de la interfase cristal líquido-aire los motores rotatorios inducen, como dopantes de quiralidad, cambios en la organización supramolecular de los filmes macroscópicos, así como en la estructura de la interfase. Otro problema diferente y complicado es la transformación del movimiento rotatorio en traslación a lo largo de una superficie. Feringa empleó motores catalíticos que cambiaban la dirección del movimiento rotatorio mediante un interruptor que modificaba la quiralidad del catalizador y sistemas de propulsión que, en algunos artefactos, eran nanotubos. Así consiguió construir un nanocoche de cuatro ruedas que fue capaz de transportar un chasis molecular ¿Hasta dónde llegará la nanotecnología? Preguntaremos a Michio Kaku.