Autoensamblaje molecular
Movement of molecules into a defined arrangement without outside influence
Imagen AFM de moléculas de diimida naftalenotetracarboxílica sobre plata interactuando a través de enlaces de hidrógeno a 77 K. [1] (los "enlaces de hidrógeno" en la imagen superior están exagerados por artefactos de la técnica de obtención de imágenes. [2] [3] )
Imágenes NC-AFM del proceso de autoensamblaje molecular de moléculas de ácido 2-aminotereftálico en calcita (104). [4]

En química y ciencia de los materiales , el autoensamblaje molecular es el proceso por el cual las moléculas adoptan una disposición definida sin guía ni control de una fuente externa. Existen dos tipos de autoensamblaje : intermolecular e intramolecular . Comúnmente, el término autoensamblaje molecular se refiere al primero, mientras que al segundo se le denomina más comúnmente plegamiento .

Sistemas supramoleculares

El autoensamblaje molecular es un concepto clave en la química supramolecular . [6] [7] [8] Esto se debe a que el ensamblaje de moléculas en tales sistemas está dirigido a través de interacciones no covalentes (por ejemplo, enlaces de hidrógeno , coordinación de metales, fuerzas hidrofóbicas , fuerzas de van der Waals , interacciones de apilamiento pi y/o electrostáticas) así como interacciones electromagnéticas. Los ejemplos comunes incluyen la formación de coloides , condensados ​​biomoleculares , micelas , vesículas , fases de cristal líquido y monocapas de Langmuir por moléculas surfactantes . [9] Otros ejemplos de ensamblajes supramoleculares demuestran que se puede obtener una variedad de formas y tamaños diferentes utilizando el autoensamblaje molecular. [10]

El autoensamblaje molecular permite la construcción de topologías moleculares desafiantes . Un ejemplo son los anillos de Borromeo , anillos entrelazados en los que la eliminación de un anillo desbloquea cada uno de los otros anillos. El ADN se ha utilizado para preparar un análogo molecular de los anillos de Borromeo . [11] Más recientemente, se ha preparado una estructura similar utilizando bloques de construcción no biológicos. [12]

Sistemas biológicos

El autoensamblaje molecular es la base de la construcción de conjuntos macromoleculares biológicos y condensados ​​biomoleculares en los organismos vivos, y por lo tanto es crucial para el funcionamiento de las células . Se manifiesta en el autoensamblaje de lípidos para formar la membrana , la formación de ADN de doble hélice a través de enlaces de hidrógeno de las hebras individuales y el ensamblaje de proteínas para formar estructuras cuaternarias . El autoensamblaje molecular de proteínas plegadas incorrectamente en fibras amiloides insolubles es responsable de enfermedades neurodegenerativas relacionadas con priones infecciosos . El autoensamblaje molecular de estructuras a nanoescala desempeña un papel en el crecimiento de las notables estructuras de láminas / setas / espátulas de β-queratina utilizadas para dar a los geckos la capacidad de trepar paredes y adherirse a techos y salientes de rocas . [13] [14]

Multímeros de proteínas

Cuando varias copias de un polipéptido codificado por un gen se autoensamblan para formar un complejo, esta estructura proteica se denomina "multímero". [15] Los genes que codifican polipéptidos formadores de multímeros parecen ser comunes. Cuando un multímero se forma a partir de polipéptidos producidos por dos alelos mutantes diferentes de un gen particular, el multímero mixto puede exhibir una mayor actividad funcional que los multímeros no mezclados formados por cada uno de los mutantes por separado. En tal caso, el fenómeno se denomina complementación intragénica . [16] Jehle señaló que, cuando se sumergen en un líquido y se entremezclan con otras moléculas, las fuerzas de fluctuación de carga favorecen la asociación de moléculas idénticas como vecinas más cercanas. [17]

Nanotecnología

El autoensamblaje molecular es un aspecto importante de los enfoques ascendentes de la nanotecnología . Mediante el autoensamblaje molecular, la estructura final (deseada) se programa en la forma y los grupos funcionales de las moléculas. El autoensamblaje se considera una técnica de fabricación "ascendente" en contraste con una técnica "descendente" como la litografía, en la que la estructura final deseada se talla a partir de un bloque de materia más grande. En la visión especulativa de la nanotecnología molecular , los microchips del futuro podrían fabricarse mediante autoensamblaje molecular. Una ventaja de construir nanoestructuras mediante autoensamblaje molecular para materiales biológicos es que se degradarán nuevamente en moléculas individuales que el cuerpo puede descomponer.

Nanotecnología del ADN

La nanotecnología del ADN es un área de investigación actual que utiliza el enfoque de autoensamblaje ascendente para objetivos nanotecnológicos. La nanotecnología del ADN utiliza las propiedades únicas de reconocimiento molecular del ADN y otros ácidos nucleicos para crear complejos de ADN ramificados autoensamblables con propiedades útiles. [18] Por lo tanto, el ADN se utiliza como un material estructural en lugar de como un portador de información biológica, para crear estructuras como redes complejas 2D y 3D (tanto basadas en mosaicos como utilizando el método de " origami de ADN ") y estructuras tridimensionales en forma de poliedros . [19] Estas estructuras de ADN también se han utilizado como plantillas en el ensamblaje de otras moléculas como nanopartículas de oro [20] y proteínas estreptavidina . [21]

Monocapas bidimensionales

El ensamblaje espontáneo de una sola capa de moléculas en las interfaces se suele denominar autoensamblaje bidimensional. Uno de los ejemplos comunes de tales ensamblajes son las monocapas y multicapas de surfactantes de Langmuir-Blodgett . Las moléculas no activas en la superficie también pueden ensamblarse en estructuras ordenadas. Las primeras pruebas directas que mostraban que las moléculas no activas en la superficie pueden ensamblarse en arquitecturas de orden superior en interfaces sólidas llegaron con el desarrollo de la microscopía de efecto túnel de barrido y poco después. [22] Finalmente, dos estrategias se hicieron populares para el autoensamblaje de arquitecturas 2D, a saber, el autoensamblaje después de la deposición y el recocido a ultra alto vacío y el autoensamblaje en la interfaz sólido-líquido. [23] El diseño de moléculas y condiciones que conducen a la formación de arquitecturas altamente cristalinas se considera hoy una forma de ingeniería de cristales 2D a escala nanoscópica .

Véase también

Referencias

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