Máquina molecular

Uma máquina molecular, ou nanomáquina, é uma entidade com um número discreto de componentes em escala molecular ligados por ligações químicas, interações intermoleculares ou ligações mecânicas, que podem desempenhar movimentos mecânicos em resposta a um ou mais estímulos específicos. Geralmente este termo é utilizado nas nanociências para indicar moléculas ou macromoléculas que conseguem mimetizar funções de máquinas ou equipamentos macroscópicos, sejam eles físicos ou biológicos.

Um dos primeiros a falar abertamente sobre a possibilidade de nanomáquinas foi Richard P. Feynman em sua seminal palestra no encontro anual da American Physical Society na Caltech em 23 de dezembro de 1959. Posteriormente K. Eric Drexler explorou e aprofundou os conceitos apresentados por Feynman em seu livro "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology" publicado em 1986 e em sua tese de doutorado apresentada ao MIT em 1991 intitulada "Molecular Machinery and Manufacturing With Applications to Computation" . Drexler também publicou um artigo seminal na revista PNAS intitulado "Molecular engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation", que já recebeu mais de 800 citações.

O conceito moderno de máquinas moleculares é o resultado de anos de pesquisa de químicos físicos e biólogos, resultando em milhares de artigos publicados e rendendo o prêmio Nobel em química de 2016 para Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa pelo design e síntese de máquinas moleculares.

Visão histórica e Estudo

Aqui estão duas experiências de pensamento que formam a base histórica para máquinas moleculares: o demônio de Maxwell e Ratchet de Feynman (ou catraca browniano). Demônio de Maxwell é bem descrita em outro lugar, e uma interpretação ligeiramente diferente da catraca de Richard Feynman é dado aqui.

Imaginemos um sistema muito pequeno (ver abaixo) de duas pás ou engrenagens ligadas por um eixo rígido e que é possível manter estas duas pás a duas temperaturas diferentes. Uma das engrenagens (em T2) tem uma lingueta que está retificando o movimento do sistema, e, portanto, o eixo só pode se mover em uma rotação no sentido horário, e ao fazê-lo, poderia levantar um peso (m) para cima em cima de catraca. Agora imagine se o remo na caixa T1 estava em um ambiente muito mais quente do que a engrenagem na caixa T2; seria de esperar que a energia cinética das moléculas de gás (círculos vermelhos) que atingem a pá em T1 seria muito mais elevada do que as moléculas de gás que atingem a engrenagem em T2. Por conseguinte, com menor energia cinética dos gases no T2, haveria pouca resistência das moléculas ao colidirem com a engrenagem na direcção oposta estatisticamente. Além disso, o roquete iria permitir a direcionalidade, e lentamente ao longo do tempo, o eixo de roquete iria rodar e, levantando o peso (m). 

Figura esquemática de Ratchet de Feynman

Como descrito, este sistema pode parecer uma máquina de movimento perpétuo; No entanto, o principal ingrediente é o gradiente térmico dentro do sistema. Esta catraca não ameaça a segunda lei da termodinâmica, porque este gradiente de temperatura deve ser mantida por alguns meios externos. O movimento Browniano das partículas de gás fornece a energia para o aparelho, e o gradiente de temperatura permite que a máquina para conduzir o sistema ciclicamente afastamento do equilíbrio. Em catraca de Feynman, o movimento browniano aleatório não é combatido, mas em vez disso, aproveitado e retificado. Infelizmente, os gradientes de temperatura não pode ser mantida ao longo de distâncias à escala molecular, porque a vibração molecular de redistribuição da energia a outras partes da molécula. Além disso, apesar da máquina de Feynman fazendo um trabalho útil para levantar a massa, usando o movimento browniano para alimentar uma máquina de nível molecular não fornece qualquer visão sobre como o poder (ou energia potencial do peso levantado, m) pode ser usado para executar tarefas em nanoescala. 

Percepções Modernas e Estudos

Diferentemente do movimento macroscópico, sistemas moleculares estão constantemente passando por movimentos dinâmicos significativos sujeitos às leis da mecânica brownianos (ou movimento browniano) e, como tal, aproveitando o movimento molecular é um processo muito mais difícil. Ao nível macroscópico, muitas máquinas operam na fase gasosa, e, muitas vezes, a resistência do ar é desprezada, como é insignificante, mas analogamente para um sistema num ambiente molecular Browniano, movimento molecular é semelhante "a uma curta em um furacão, ou natação em melaço. "O fenômeno do movimento browniano (observado por Robert Brown (botânico), 1827), foi posteriormente explicado por Albert Einstein em 1905. Einstein descobriu que o movimento browniano é uma consequência da escala e não a natureza do entorno. Contanto que a energia térmica é aplicado a uma molécula, ele irá sofrer movimento Browniano com a energia cinética adequada para essa temperatura. Portanto, como estratégia de Feynman, ao projetar uma máquina molecular, parece sensato para utilizar o movimento browniano em vez de tentar lutar contra isso.

Como máquinas macroscópicas, máquinas moleculares normalmente têm partes móveis. No entanto, enquanto as máquinas macroscópicas cotidianas podem servir de inspiração para máquinas moleculares, é enganoso desenhar analogias entre sua estratégia de design; a dinâmica das escalas de comprimento pequenas e grandes são simplesmente demasiado diferente. Aproveitando o movimento browniano e fazer máquinas nível molecular é regulada pela segunda lei da termodinâmica, com suas conseqüências, muitas vezes contra-intuitivo, e como tal, precisamos de outra inspiração. 

Apesar de ser um processo desafiador para aproveitar o movimento browniano, a natureza nos proporcionou vários projetos para o movimento molecular realizar trabalho útil. A natureza criou muitas estruturas úteis para compartimentar sistemas moleculares, criando, portanto, as distribuições não-equilíbrio distintas; a membrana celular é um excelente exemplo. Barreiras lipofílicas fazer uso de uma série de diferentes mecanismos de movimento de alimentação de um compartimento para outro.

Tipos de máquinas moleculares

Mecanismo molecular de síntese de proteínas pelo ribossomo

É possível dividir as classes de máquinas moleculares em dois grupos fundamentalmente diferentes.. O primeiro, derivado diretamente dos princípios apresentados por Feynman e Drexler, é desenhar e projetar elementos moleculares baseados nos princípios mecânicos clássicos do mundo macroscópico como nanocarros, pistões moleculares, elevadores moleculares, rotores moleculares, e outros sistemas que imitam o mundo macroscópicos como objetos moleculares.

Uma segunda classe é baseada em princípios e conceitos derivados de nanosistemas biológicos, aplicados no desenho de máquinas moleculares sintéticas biomiméticas. As máquinas moleculares biológicas são extremamente complexas, mesmo quando em condições limitadas. Por exemplo proteínas que mesmo sendo limitadas pelos 20 aminoácidos naturais apresentam uma complexidade tão grande que em geral é difícil até mesmo entender seu funcionamento por completo.

Máquinas moleculares naturais

Bilhões de anos de seleção natural no planeta terra resultaram na mais complexa máquina molecular que temos conhecimento: a vida. Os seres vivos são compostos por diversas sistemas moleculares extremamente complexos que apresentam um comportamento de máquina molecular.

FO-F1 ATP sintase

Alguns exemplos de máquinas moleculares biológicas naturais importantes incluem:

• Máquinas a base de polimerização
  • Polimerização da actina formando filamentos, consome ATP e pode gerar forças que movimentam e propulsionam a célula;
  • Polimerização dos microtúbulos, comsome GTP e mode movimentar organelas dentro da célula;

• Motores rotatórios
  • F_oF₁-ATP sintase utiliza o gradiente químico de prótons entre as membranas da mitocôndria para sintetizar ATP.
  • Flagelos bacterianos utilizam um mecanismo similar ao da F_oF₁-ATP sintase para girar e gerar propulsão que movimenta bactérias como a E. coli;
• Motores que geram tração
  • Miosina e Actina são responsáveis pela contração muscular e tráfego de vesículas dentro da célula;
  • Cinesina transporta cargas do núcleo ao longo dos microtúbulos;

• Motores relacionados à ácidos nucleicos
  • RNA polimerase é responsável por transcrever RNA em DNA;
  • DNA polimerase transforma uma fita simples de DNA em uma fita dupla;
  • Helicases separam a dupla fita de ácidos nucleicos antes da transcrição ou tradução;
  • Topoisomerases desentrelaçam a dupla fita de DNA;

Máquinas moleculares artificiais

• Transportadores moleculares (Molecular shuttle)

Modelo esquemático representando o funcionamento do "molecular shuttle".

Diversas máquinas moleculares têm sido sintetizadas pelos químicos ao longo dos últimos anos. Apesar de apresentar complexidade muito inferior à apresentada por sistemas biológicos, pouco a pouco o nível de controle e adaptabilidade desses sistemas têm crescido. A primeira máquina molecular reportada com essa terminologia foi produzida por Sir J. Fraser Stoddart e colaboradores em 1991. Denominada de "molecular shuttle" ou "transportador molecular", essa máquina possui um anel mecanicamente ligado que é capaz de se mover para trás e para frente em duas "estações" idênticas, como um ônibus, sob a ação de diferentes estímulos como pH, luz, diferentes solventes e presença de íons.

• Motores moleculares

Motor molecular de Feringa

Um outro desenvolvimento importante foi o dos motores moleculares, moléculas que conseguem rodar unidirecionalmente em torno de seu eixo quando estimulada por luz, temperatura ou mudança no pH. O primeiro rotor molecular foi reportado por Bernard L. Feringa e colaboradores em 1999 na revista Nature. O funcionamento desse motor está baseado na isomerização de uma ligação dupla que conecta dois grupos volumosos. A capacidade de isomerização da ligação dupla, combinada com a quiralidade das porções volumosas faz com que o movimento de giro seja em apenas uma direção. A primeira versão desse modelo era bastante simples, entretanto com o passar dos anos versões mais complexas foram sendo desenvolvidas, culminando no recentemente desenvolvimento de um Metal-Organic Framework em que um dos blocos de construção é um rotor molecular.

• Nanocarros

Com o desenvolvimento de diferentes tipos de motores moleculares, um passo natural foi a criação de nanocarros - moléculas que conseguem se deslocar espacialmente sob a ação de estímulos. Tamanho foi a animação com o tema que o Centro para o Desenvolvimento de Materiais e Estudos Estruturais (CEMES-CNRS), em Toulouse na França, propôs a primeira corrida de nanocarros, para promover e testar seu novo microscópio de tunelamento com varredura. Nessa corrida, os participantes tiveram que projetar e sintetizar um nanocarro e "dirigir" por uma superfície metálica a ~5K com um microscópio de tunelamento. O nanocarro vencedor, que funciona com um mecanismo de propulsão por dipolo elétrico, se moveu por 150 nm em 1.5 horas.

• Nanorobôs

Esquema de funcionamento de um "braço robótico" molecular.

A manipulação da matéria átomo a átomo é um tema que marca a comunidade científica a décadas. Não somente a comunidade acadêmica, mas também é um tópico central em muitas obras de ficção científica famosas na cultura pop. Esse nível de controle já é atingido a algum tempo, com o uso de microscópios de força atômica ou de tunelamento, que conseguem capturar um único átomo ou molécula. Apesar disso, o controle em larga escala ainda é um objetivo a ser alcançado. Um passo importante dado nessa direção foi o desenvolvimento de um sistema molecular que simula um "braço robótico", capaz de seletivamente capturar e transportar uma carga em duas direções espaciais distintas, utilizando sítios com características químicas diferentes em uma "plataforma" molecular.