Trabajar con moléculas con ruedas es como cocinar

Habla de ello casi casualmente: Carlijn van Beek (29) habla de “máquinas”. Pequeñas estructuras que pueden moverse y realmente hacer algo, como las máquinas de la vida cotidiana, pero en una escala de millonésimas de milímetro. Estas nanomáquinas funcionan con los llamados “motores moleculares”: piezas de moléculas que pueden girar alrededor de un eje como las ruedas de un automóvil, pero que funcionan con luz. El supervisor de Van Beek, el químico Ben Feringa, recibió el Premio Nobel en 2016 por esto: los científicos pudieron controlar por primera vez los movimientos a nivel molecular. Y ahora Van Beek está obteniendo su doctorado para dar el siguiente paso. Defenderá su tesis el 20 de abril en la Universidad de Groningen.

“Fabricamos estos motores moleculares en el laboratorio, pero también existen en la naturaleza”, dice Van Beek en el campus de la Universidad de Groningen, en el flamante edificio Feringa, que lleva el nombre de su jefe. “Por ejemplo, la ATP sintasa, una enzima que desempeña un papel en el equilibrio energético de nuestras células. Es una proteína que también tiene partes giratorias, pero que es impulsada por energía química”.

Las piezas que giran en los motores de Van Beek son en realidad ramas de la molécula principal. Están unidos a él mediante el llamado enlace doble de carbono. Dos átomos de carbono están unidos entre sí mediante dos enlaces en lugar de uno. En la escuela aprendes que los dobles enlaces son rígidos, pero que en realidad pueden torcerse un poco si les agregas algo de energía. Por ejemplo en forma de luz. Luego, como si fuera un engranaje, los empujas más allá de un cierto umbral, después de lo cual continúan disparando para volver a un estado relajado. “Lo especial de nuestros motores es que sólo pueden girar en una dirección”, afirma Van Beek. “Esto te permite crear un movimiento controlado”.

red de engranajes

Van Beek explica que esto ofrece muchas aplicaciones interesantes. Tomemos como ejemplo los medicamentos contra el cáncer. Desea que funcionen sólo donde se necesitan y no en el resto del cuerpo para evitar efectos secundarios. Van Beek: “Supongamos que el fármaco no está activo en una determinada forma, pero sí lo está cuando se colapsa uno de estos grupos laterales. Luego se puede activar el fármaco en el sitio del tumor al iluminarlo con luz”.

Esta aplicación, ahora denominada “fotofarmacología”, se encuentra actualmente en pleno desarrollo. Feringa y sus colegas trabajan, entre otros, con la UMC Groningen. “Soy más bien fundamentalista”, subraya el doctorando. “Durante mi investigación, analicé si se podían girar dos grupos laterales en lugar de uno, algo comparable a las dos ruedas del eje de un coche”.

No sólo dos bicicletas idénticas, sino también dos diferentes, señala. Aún no se vislumbran aplicaciones para esto, pero: “Ahora estamos investigando cómo diferentes tipos de motores moleculares pueden trabajar juntos como una red de engranajes”. Entonces podrías usarlos para aplicaciones más grandes o más complicadas. Por ejemplo, con materiales complejos cuyas propiedades se quieran ajustar, como la permeabilidad. “El siguiente paso en mi investigación sería colocar mis moléculas en una superficie y luego observarlas moverse”.

Enigmático

Van Beek sigue hablando de “hacer moléculas” y “ver lo que hacen”. Pero, ¿cómo se crea algo que no se puede ver? ¿Cómo saber qué grupo está asociado a algo y si rota o no? ¿Y qué “hace” entonces la molécula? Van Beek se ríe de la pregunta. “Sí, eso suena muy abstracto. Combino muchas técnicas de análisis diferentes, y luego es una cuestión de desconcierto explicar lo que sale”.

Sus materiales de partida suelen ser un polvo o un líquido. Se trata siempre de sustancias puras que sólo constan de un tipo de molécula. “Como ‘eje’ de mi motor utilizo una sustancia basada en dos anillos de carbono conectados”, dice Van Beek. “Luego lo mezclo con la sustancia que quiero colgar como una ‘rueda’, a menudo otro compuesto de carbono cíclico. Además de algún material de activación”.

Luego se crea una mezcla de productos de reacción. “En los primeros meses todo fue un poco doloroso. Mis ‘ruedas’ parecían reaccionar principalmente entre sí, no con el ‘eje’. O había otras conexiones entre ellas que no quería. Pero poco a poco fue mejorando: cada vez conseguí más ejes con dos ruedas”.

El siguiente paso es separar los diferentes productos de la reacción. Esto se puede hacer mediante cromatografía, que implica “romper” una mezcla pasándola a través de un tipo de papel de filtro. Luego puede aislar y caracterizar los diferentes componentes. Por ejemplo, en ciertas formas de espectroscopia, que examina cómo reacciona una sustancia a la luz o a las ondas de radio en un campo magnético. Esto dice algo sobre cómo se construye el material. Y la espectrometría de masas te dice qué tan pesada es una molécula. “Al combinar estas técnicas, puedes confirmar que has creado la estructura correcta”.

¿Y cómo investigar entonces qué “hace” la molécula cuando la irradias con luz? “Luego aplicas estas técnicas mientras iluminas la tela, y luego ves qué cambios provocan. Luego, finalmente puedes juntar todas estas piezas del rompecabezas. Así que no vemos estas ruedas girando, pero sí vemos el comportamiento cambiado en las mediciones”.

Mejor haz esto o aquello

La propia Van Beek no continuará esta investigación después de su doctorado. Está demasiado insegura sobre las trayectorias profesionales académicas. “Preferiría buscar trabajo en una empresa o en un instituto, es decir, con objetivos un poco más específicos”, afirma. “También hay químicos que pueden resolver acertijos como este. No necesariamente a nivel nano, pero mis habilidades se pueden utilizar de manera mucho más amplia: buscar soluciones, optimizar procesos… Pero también perseverar y encontrar alternativas cuando algo sale mal”.

Su supervisor Ben Feringa considera una vergüenza que ella deje la academia, señala Van Beek. “He estado aquí desde mi pasantía universitaria. Creo que disfrutó viendo lo emocionado que estaba. Y todavía lo estoy. Realmente disfruto crear nuevas moléculas y luego ver lo que hacen”. También tiene habilidades prácticas: “Un poco como cocinar. También es mi gran afición”.

¿Cómo es realmente recibir un doctorado de un ganador del Premio Nobel? “Sí, fantástico. Por supuesto, Ben no obtuvo este premio en vano. Está lleno de ideas creativas. También es súper entusiasta y puede motivarte muy bien cuando las cosas no van bien. Ella piensa por un momento. “Y si su nombre está en tu papel, será reconocido más rápidamente”.

Pero esto también tiene sus desventajas, matiza: “A veces era difícil hablar con él. Ben viaja mucho: a simposios, comités, conferencias… a veces no está en el laboratorio durante semanas. Por suerte, había nombrado a dos buenos directores de laboratorio y, por supuesto, a la secretaria. Y creo que también te hace independiente. Algunas personas se ahogarían, pero yo lo aprecio”.

Ella se ríe: “También es bueno que no tengas que dar una actualización todos los días”.

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