Transduciendo energía química a través de la catálisis por un motor molecular artificial

Resumen Las células presentan una variedad de actividades mecánicas generadas por proteínas motoras alimentadas a través de la catálisis 1 . Esto plantea la pregunta fundamental de cómo la aceleración de una reacción química puede permitir que la energía liberada de esa reacción sea transducida (y, en consecuencia, se realice trabajo) por un catalizador molecular 2–7 . Aquí demostramos la transducción a nivel molecular de energía química a fuerza mecánica 8 en la forma de contracciones impulsadas y reexpansiones impulsadas de un gel de polímero entrecruzado impulsadas por la rotación direccional de motores moleculares impulsados por catálisis 9 . La rotación continua de 360° del rotor sobre el estator de las moléculas motoras impulsadas por catálisis incorporadas en el marco polimérico del gel tuerce las cadenas del polímero de la red entrecruzada unas alrededor de otras. Esto aumenta progresivamente la torsión y aprieta los enredos, causando una contracción macroscópica del gel a aproximadamente el 70% de su volumen original. La posterior adición del sistema de combustible enantiomérico opuesto impulsa la rotación de las moléculas motoras en la dirección opuesta, desenredando los enredos y causando que el gel se reexpanda. La torsión continua de las hebras en la nueva dirección hace que el gel vuelva a contraerse. Además de la activación, la rotación de moléculas motoras en el gel produce otros resultados químicos y físicos, incluidos cambios en el módulo de Young y el módulo de almacenamiento; este último es proporcional al aumento en los cruces de las hebras como resultado de la rotación del motor. La demostración experimental de trabajo contra una carga por un organocatalizador sintético y su mecanismo de transducción de energía 6 , informa tanto el debate 3,5,7 sobre el mecanismo de generación de fuerza por motores biológicos como los principios de diseño 6,10–14 para la nanotecnología molecular artificial.