Nos ônibus moleculares, uma molécula de anel é rosqueada em uma fita molecular linear e pode se mover entre duas porções da cadeia, chamadas estações, em resposta a estímulos externos. O estímulo químico, a luz ou força mecânica determinar o tempo que o transporte gasta em cada estação enquanto ele pula de um lado para o outro por movimento térmico aleatório. A medição das trajetórias individuais durante a operação de tais dispositivos sintéticos é essential para uma compreensão completa de sua operação e na otimização de máquinas moleculares.
Pesquisadores da IMDEA Nanociencia, liderados por Emilio Pérez e Borja Ibarra, usaram pinças ópticas para medir os caminhos de transição individuais dos ônibus moleculares entre duas estações sob equilíbrio mecânico. Seus resultados mostraram que os tempos de caminho de transição apresentam amplas distribuições, mantendo uma simetria de reversão do tempo. Em colaboração com o Prof. Raymond Astumian (Universidade do Maine, EUA), eles confirmaram experimentalmente que os caminhos de transição mostram simetria, que é o ônibus que leva o mesmo tempo pelo perfil de energia que está descendo.
A análise dos dados mostrou que os valores médios das transições são idênticos, mostrando formas semelhantes para as reações avançadas e reversas. O ônibus gasta o mesmo tempo em cada etapa entre as duas estações, independentemente na direção do turno. Essa simetria das distribuições de tempo do caminho de transição foi confirmada de acordo com o princípio da reversibilidade microscópica.
A reversibilidade microscópica declara que, no nível molecular, todo processo e seu reverso ocorrem com a mesma probabilidade em equilíbrio. É um princípio muito bem estabelecido na mecânica estatística, mas é difícil medir experimentalmente, pois envolve o rastreamento das trajetórias de moléculas individuais.
A transferência molecular envolve a passagem através de um estado de transição de alta energia, formando uma barreira energética entre os estados estáveis. As propriedades dos caminhos de transição através desses estados contêm todas as informações mecanicistas fundamentais sobre o processo de transferência. Até o momento, os caminhos de transição foram estudados teoricamente, mas suas curtas vidas na ordem de milissegundos, bem como sua natureza estocástica intrínseca, impediram sua observação direta experimentalmente até agora. Os resultados relatados aqui fornecem uma primeira visão experimental do princípio da reversibilidade microscópica em ônibus moleculares.
O estudo abre o caminho para uma compreensão detalhada e quantitativa da dinâmica das máquinas moleculares sintéticas. Isso é possível devido à extrema resolução e sensibilidade da configuração experimental. As pinças ópticas têm a capacidade de medir e controlar dispositivos moleculares precisamente na faixa de forças de Piconewton. Em 2018, os pesquisadores Pérez e Ibarra seguiram em 5 minutos completos a posição de um ônibus molecular. Então, eles se concentraram em quanto tempo o ônibus passou em cada estação. Agora, eles se concentram na jornada, dando uma análise completa dos caminhos de transição, a trajetória completa- posição versus tempo- da molécula, extraindo o perfil de energia ao longo do fio.
O campo dos ônibus moleculares é relevante para Nanotecnologia Em sua busca por componentes eletrônicos em nanoescala e também à biologia, onde muitas funções biológicas são baseadas em ônibus moleculares. Este estudo foi realizado na água, uma vantagem que impulsiona a possibilidade de usar esses dispositivos para aplicações biotecnológicas. Os exemplos de máquinas moleculares são muitas: interruptores moleculares programáveis e sensores, nanovalos para sistemas de entrega de drogas, biomateriais adaptativos, músculos moleculares, and many others. O Prêmio Nobel de Química de Feringa, Sauvage e Stoddart já reconheceu em 2016 que há um enorme potencial no desenvolvimento de máquinas moleculares.
A pesquisa, publicada recentemente na revista Chem (Doi: 10.1016/j.chempr.2024.102410) abre o caminho para explorar a sequência temporal de eventos durante o transporte e investigar a possibilidade de seguir vários caminhos pela paisagem energética. As informações descobertas por este estudo orientarão o projeto racional de interruptores moleculares eficientes e motores com uma resposta personalizada, para aplicações em nanotecnologia e biomedicina.
Este trabalho é uma colaboração entre os grupos da IMDEA Nanociencia “Química de materiais de baixa dimensão” liderado por Emilio M. Pérez e “Manipulação de motores moleculares” Liderado por Borja Ibarra e Raymond Astumian (Maine College, EUA), e foi parcialmente financiado pela excelência em acreditação Severo Ochoa concedida à IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).