El autoensamblaje molecular es el fenómeno de organización de varias moléculas para adquirir una distribución espacial no aleatoria entre ellas mediante interacciones no covalentes: fuerzas intermoleculares de Van der Waals (entre moléculas neutras), enlaces o puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y electrostáticas,dando como resultado una unidad más funcional y grande. La asociación es espontánea, y puede venir dada por una interacción específica directa o indirecta, siendo esta última inducida a través de su entorno. Se puede clasificar en intramolecular e intermolecular, el primero hace referencia al plegamiento en el cuál una molécula adopta su forma o conformación, en cambio, cuando habitualmente se emplea el término autoensamblaje se hace referencia al autoensamblaje intermolecular.
La autoorganización se necesita comprender en detalle, ya que afecta a un amplio número de procesos en nuestros cuerpo, Tierra y espacio. En los dominios de Archaea, una gran variedad de compuestos inorgánicos capaces de formar nanoparticulas, carbono, hidrógeno,oxígeno, nitrógeno, fósforo, sílice, zinc, manganeso y otros materiales se encontraban fácilmente disponibles en formas reactivas. Por ello, algunas nanopartículas de estos debían haber estado presentes en la abiogénesis. Aunque se desconocen los detalles de este proceso, se explica como la transición de entidades no vivas a entidades vivientes a través de un proceso evolutivo de complejidad creciente implicando procesos de autoensamblaje, autorreplicación molecular , autocatálisis y la aparición de membranas celulares.
No se relaciona el autoensamblaje de estas partículas con la aparición de vida, aunque sí las dispersiones a nanoescala, tales como arcillas son conocidas como catalizadores para la formación de péptidos y macromoléculas que fueron utilizadas para la construcción de protocélulas
Los inicios se remontan a 1894 cuando se introdujo la terminología "llave-cerradura", la estructura del substrato se acoplaba al centro activo de la enzima, como encaja una llave en una cerradura, por el contrario no se daba lugar a la catálisis.El autoensamblaje molecular subyace en la construcción de conjuntos macromoleculares biológicos en organismos vivos, por lo que es crucial para la función de las células. Se exhibe en el autoensamblaje de lípidos para formar la membrana, la formación de ADN de doble hélice a través de enlaces de hidrógeno de las cadenas individuales y el ensamblaje de proteínas para formar estructuras cuaternarias. Este gran hallazgo fue postulado por Hermann Emil Fischer
Las propiedades enzimáticas de especificidad para que se llevase a cabo la catálisis, funcionó para los años 60, pero fue necesario adaptarla para explicar las discrepancias como la falta de la actividad hidrolítica de las quinasas, inhibición no competitiva. y otras incoherencias aparentes. Por ello, Daniel E. Koshland Jr. en 1958, postuló la teoría de ajuste inducido, incorporando a los conceptos de Fischer la complementariedad de enzima-substrato, pero introduciendo un concepto de enzima flexible, comparándola con el ajuste de una mano en un guante.
A partir de este pensamiento,se focalizaron en el reconocimiento molecular y la química del huésped-huésped, describiendo agregados de dos o más moléculas. En base a esta idea, se desarrollaron complejos selectivos en los que la molécula huésped es capaz de reconocer y unirse de manera selectiva a cierto huésped. Donald J. Cram, Jean - Marie. Lehn y Charles J. Pedersen fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 1987, otorgado por el descubrimiento de las primeras moléculas con capacidad de reconocimiento molecular, los éteres de corona.
Fue J.Marie Lehn, quién propuso la definición de autoensamblaje como “la evolución hacia el confinamiento espacial a través de la interacción espontánea de unos pocos o varios componentes, resultando en la formación de entidades discretas o extensas a un nivel molecular (covalente), o supramolecular (no covalente)”.
Es importante también destacar, la contribución realizada por Nicholas A. Kotov (Diciembre 2017) en el autoensamblaje de nanopartículas. Esto es debido a la relación de la autoorganización a escala nanométrica. Este profesor de ingeniería química propuso la definición del autoensamblamiento entre nanopartículas como "un proceso en el que los nanopartículas adquieren una distribución espacial no aleatoria entre sí y los límites del sistema”.
El autoensamblaje molecular es una pilar clave en el desarrollo y evolución molecular, ya que un autoensamblaje de proteínas plegadas incorrecto en fibras de amiloide insolubles, es el responsable de enfermedades neurodegenerativas infecciosas relacionadas con priones.
Estos son agentes infecciosos formados por una proteína denominada priónica, capaces de construir agregados moleculares anómalos. Por consiguiente, este mecanismo de autoensamblamiento molecular tiene un rol muy importante en los sistemas supramoleculares debido a que el ensamblaje de moléculas en tales sistemas se dirige a través de interacciones no covalentes (por ejemplo, enlaces de hidrógeno, coordinación de metales, fuerzas hidrófobicas, fuerzas de van der Waals, interacciones π-π y / o electrostáticas), así como interacciones electromagnéticas.
Primeramente, definir que cuando se habla de química supramolecular se hace referencia a los agregados supramoleculares, estos son el resultado de la unión de moléculas mediante enlaces no covalentes, es decir, son complejos bien definidos de moléculas. Respecto a las dimensiones de estos complejos comprenden desde los nanómetros hasta los micrómetros permitiendo de este modo, en el autoensamblaje, objetos a nanoescala llegando a la molécula en el menor número de pasos comparado con una molécula de dimensión similar.
El autoensamblaje puede ser de dos tipos:
Cabe destacar que las estructuras de las supramoleculas están conformadas por un gran número de subunidades de igual o diferente naturaleza molecular, como es el caso de los lípidos, los cuales presentan carácter anfipático, la molécula tiene una región hidrófoba, siendo la cola apolar y otra hidrófila, siendo la cabeza polar.Se puede destacar el autoensamblaje de los lípidos en la membrana, como consecuencia del carácter anfifílico, es decir, una parte de la membrana tiene conglomerados de tipo polar, mientras la otra es no polar. Estas estructuras se forman en soluciones acuosas, donde dejan su parte polar expuesta al medio acuoso y, su parte no polar es escondida en otra fase.
Los distintos modos en los que los lípidos se pueden ensamblar para formar una membrana son:
Estudios recientes de autoensamblaje molecular de sistemas complejos de polímeros, muestran la formación de vesículas de polímero o estructuras de cascos cerrados de manera arqueotípica, abriendo un nuevo horizonte de posibilidades y aplicaciones. Es decir, muestran la formación de vesículas de manera espontánea por autoensamblaje a través de un arqueotipo genérico de autoensamblaje. Estos nuevos polímeros de vesículas presentan la ventaja de tener una estabilidad y tenacidad superiores, además de ofrecer numerosas posibilidades para adaptar propiedades físicas, químicas y biológicas mediante la variación de la estructura química y la conjugación con biomoléculas.
La tecnología a escala nanométrica nos envuelve en objetos con la intención de mejorar nuestra calidad de vida, a la vez que se reduce el tamaño de estos dispositivos dando lugar una disminución del consumo energético de éste, siendo más eficientes en los procesos de fabricación. Por ello, la fabricación de objetos a escala nanométrica es sin lugar a dudas uno los aspectos claves en ciencia y tecnología. De acuerdo a estos retos, el interés ha ido aumentando a métodos basados en autoensamblaje molecular en procesos supramoleculares. La química supramolecular, que originalmente era una rama de la ciencia fundamental, ahora tiene convertirse en un concepto importante en nanotecnología.
Se podría decir, que el autoensamblaje molecular con naturaleza artificial, es una técnica de fabricación de moléculas, dónde se presenta como objetivo la obtención de una estructura final definida en un bloque, programada para darle forma y los grupos funcionales que la van a componer.
Todo ello, resulta de gran utilidad en el mundo de la nanotecnología, aplicado en el desarrollo de nanoestructuras construidas a través de autoensamblaje molecular para materiales biológicos que se podrán degradar en moléculas más pequeñas individuales que el cuerpo puede descomponer.
Las ventajas que presenta este tipo de autoensamblaje en la creación de nanoparticulas se listan a continuación:
Actualmente existen varios desafíos en el autoensamblaje, ya que es un campo campo relativamente nuevo en nanotecnología. Es complejo controlar a escalas muy grandes, y para una aplicación amplía hay que segurar altos grados de reproducibilidad a estas escalas.
Los últimos años han sido testigos de los rápidos desarrollos de métodos en el diseño de fármacos, gracias a los ordenadores. Esto es debido a la precisión que se ha alcanzado con estos para la predicción de modos de unión de moléculas pequeñas, y su relativa afinidad. en los métodos seguidos. El acoplamiento de alto rendimiento es de hasta 106 moléculas seguidas,basadas en un campo de fuerza del disolvente implícito pueden identificar de manera robusta los aglutinantes micromolares usando un objetivo proteico. Al contrario que la dinámica molecular, ofrece un buen rendimiento en la caracterización de sitios de unión flexibles y una evaluación precisa de la unión.
Otra aplicación con gran impacto en muchas áreas biomédicas, que se ha llevado a cabo es el autoensamblaje para dar como resultado liposomas. Estos ha conseguido emplearse para ayudar en la administración de medicamentos ya que permiten la entrega efectiva de compuestos encapsulados a sitios objetivos mientras se minimiza la toxicidad sistémica.
En un estudio relativamente reciente publicado en Nature Chemistry, a través de un sistema basado en nanoestructuras de carbono, concretamente se ha diseñado una supramolecula compuesta por trece fulerenos recubiertos de carbohidratos , la cual bloquea la entrada del virus ébola a través de las células dendríticas, y son capaces de inhibir la infección de las células por un modelo artifical del virus.
También se podría destacar el autoensamblaje del péptido CMP, el cual presenta propiedades bioactivas y nutricionales. Se encuentra como monómero a pH 7 y de manera espontánea se autoensambla a pH<4,5 dando lugar a una estructura ordenada con características viscoelásticas, mostrando un impacto en la gelificación y espumado positivo. Dicho proceso de podría llevar a la inversa con una variación radical de pH aunque no se recuperaría la forma monomérica.
Por otro parte,se ha descubrió que las nanopartículas de CdTe se reorganizan espontáneamente en nanocables cristalinos tras la eliminación controlada de la cubierta protectora que los estabiliza. Se cree que la fuerte interacción dipolo-dipolo es la fuerza motriz de la autorganización de nanopartículas. Estos hallazgos demuestran el colectivo comportamiento de las nanopartículas, además se presentan como una técnica para la producción de coloides semiconductores adecuados para su posterior procesamiento en superestructuras y materiales.
El autoensamablaje de mono y multicapas sobre superficies de oro y plata, han mostrado óptimos resultados en la obtención de nanodispositivos mediante procesos de autoensamblaje de manera sencilla, además de proporcionar una variedad de estos dispositivos con diferentes características. Estos fueron utilizados como sensores y sistemas de reconocimiento molecular de biomoléculas.
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