Un equipo gallego logra el hito histórico de manipular átomos para crear nuevas moléculas

Manipular los átomos a voluntad para diseñar moléculas con las propiedades y funciones que deseemos, lo que abre un campo de infinitas posibilidades, casi inimaginables, en la industria y la medicina. Parece ciencia-ficción, pero, en esencia, es el paso que acaban de dar investigadores del Ciqus de la Universidade de Santiago en colaboración con la empresa IBM y un equipo internacional de científicos que ha logrado, por primera vez, controlar la formación de enlaces entre los átomos de una molécula mediante pulsos eléctricos, lo que propicia cambios selectivos en su estructura.

El avance, que ha sido publicado en la portada de la revista científica Science, lo que da prueba de su impacto, supone un control sin precedentes a escala molecular y abre una nueva vía para el desarrollo de sofisticadas máquinas moleculares, que pueden desarrollar tareas a voluntad con un simple aporte de energía.

 «Logramos cambiar la conectividad de los átomos, que es la forma en la que están unidos o entrelazados. Y si controlas cómo se unen entre sí, también podemos controlar su funcionalidad, sus propiedades», explica Diego Peña, responsable del equipo del Ciqus de la USC que ha coordinado el proyecto junto a Leo Gross, de IBM. Y, lo que quizás es más aún importante, este proceso se puede realizar de forma precisa, selectiva y molécula a molécula, de forma individual. «Ahora —añade de forma gráfica— es como si dispusiéramos de unas pinzas nanométricas que nos permiten unir de forma selectiva y a voluntad las piezas de una molécula, como si fuera un lego. Podemos ensamblar las moléculas como queremos».

 A escala microscópica

Para imaginarse la complejidad de lo realizado basta señalar que estos procesos se realizan a escala nanométrica, manipulando estructuras miles de veces más pequeños que un milímetro.

«No solo controlamos qué enlaces se forman, además lo hacemos de forma reversible, porque podemos cambiar una y otra vez entre las distintas estructuras de forma repetida», explica Leo Gross, investigador de IBM y cocordinador del trabajo. La empresa y el equipo de la USC, que vienen colaborando años juntos, son los líderes de un proyecto en que el también participan científicos de la Universidad King Abdullah de Ciencia y Tecnología y de la Universidad de Regensburg.

El estudio es de investigación básica, por lo que las futuras aplicaciones aún tardarán años, pero, en principio, el equipo gallego centrará sus esfuerzos en la búsqueda de nuevas reacciones químicas que permitan sintetizar fármacos más eficientes que ahora no se pueden lograr con los métodos actuales. Puestos a soñar, si algún día se construyen sofisticadas máquinas moleculares —moléculas que pueden llevar a cabo una determinada tarea en respuesta a un estímulo externo— podría ser posible «diseñar moléculas que identifiquen células tumorales en nuestro cuerpo y las eliminen antes de que se desarrolle un tumor». Ahora es ciencia-ficción, pero en el futuro puede que no.

«Hasta ahora, las máquinas moleculares artificiales se basaban principalmente en inducir cambios en la distribución espacial de los átomos mediante estímulos externos, pero al añadir el control sobre la conectividad entre los átomos podremos abordar la fabricación de diseños más complejos», destaca Diego Peña.

«El objetivo que tenemos es cambiar los libros de química»

En las moléculas, los átomos están unidos mediante enlaces formando una estructura tridimensional de tamaño nanométrico. Moléculas con el mismo número y tipo de átomos pueden presentar sus enlaces de diferentes formas. Es decir, pueden tener diferente conectividad entre sus átomos.

Estos compuestos se denominan isómeros estructurales y aportan una variabilidad extraordinaria al mundo molecular. El nuevo método presentado en Science permite transformar un isómero estructural en otro, reconectando sus enlaces a voluntad en función de un estímulo externo. Para conseguirlo, aplicaron distintos voltajes con la punta de un microscopio de sonda de barrido sobre una molécula formada por cuatro anillos de carbono, induciendo cambios muy precisos en la estructura de estos anillos.

 «Podemos controlarlo con un estímulo externo, en este caso, un pulso de voltaje, que es como una pequeña descarga eléctrica con la que rompemos los enlaces y formamos otros», explica Diego Peña.

El equipo aspira a poder desarrollar máquinas moleculares más sofisticadas, que puedan desarrollar operaciones a voluntad en el campo de la medicina o la industria. En este caso, el precedente son las diseñadas por Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart y Ben L. Feringa, un logro que les valió el Premio Nobel en el 2016. Pero, con el nuevo avance podrían perfeccionarse de forma importante.

«Las aplicaciones de nuestro trabajo es muy difícil predecirlas, pero todo lo aplicado que hay hoy está basado en experimentos de la investigación básica. Nuestro objetivo es cambiar los libros de química», dice Peña.