Em um estudo publicado na Nature, químicos franceses e ingleses demonstram como motores moleculares artificiais muito simples são capazes de realizar tal trabalho ao catalisar a conversão de um combustível químico quiral. Isso pode impulsionar a robótica suave e a matéria ativa.
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Como certas moléculas podem realizar um trabalho organizado e ordenado em um ambiente caótico? O mundo das moléculas imersas em um líquido é de fato governado por um processo estocástico, chamado movimento browniano, que descreve as trajetórias aleatórias das partículas.
Forçar uma trajetória em vez de outra não é mais fácil do que se mover em um ciclone. No entanto, é nesse ambiente desordenado que os motores biológicos, proteínas com estruturas complexas, produzem um trabalho mecânico perfeitamente definido.
Por exemplo, a miosina-II é responsável pela contração muscular na maioria dos animais. Para isso, essa proteína com atividade enzimática converte uma fonte de energia química (adenosina trifosfato (ATP)) em um produto de reação (adenosina difosfato (ADP)).
Essa transformação é acompanhada por uma cascata de movimentos perfeitamente ordenados que resultam na contração macroscópica do tecido muscular. No entanto, o mecanismo envolvido nessa conversão de energia química em trabalho ainda não foi resolvido pela comunidade científica.
Músculo artificial usando motores moleculares rotativos, ativado por um combustível químico quiral. A direção de rotação dos motores é determinada pelo excesso enantiomérico do combustível, o que permite controlar a contração ou extensão do músculo artificial.
© Nicolas Giuseppone
No âmbito do projeto colaborativo europeu ITN-ArtMoMa, químicos do Instituto Charles Sadron (CNRS/Universidade de Estrasburgo/Instituto Universitário da França) e da Universidade de Manchester conseguiram responder a essa questão usando um sistema químico mínimo. Para isso, combinaram pequenos motores rotativos (1000 vezes menores que a miosina-II) a uma rede polimérica para formar um hidrogel ativo.
Os motores moleculares utilizados são compostos por uma parte estática (estator) e uma parte móvel (rotor). Com a adição de um combustível químico, o motor catalisa a transformação do combustível em produto de reação, o que faz o rotor girar através de uma sequência ordenada de mudanças conformacionais.
O rotor, quimicamente ligado às cadeias de polímero, por sua vez, leva à contração ou expansão do material, dependendo da direção em que gira. Essa direção preferencial de rotação transferida para a rede polimérica é determinada pela quiralidade do combustível. Dependendo do excesso enantiomérico deste último, observa-se uma contração ou extensão macroscópica do hidrogel.
Ao medir as mudanças nas propriedades do material hidrogel, os pesquisadores também puderam determinar a força gerada pelo motor e sua eficiência energética.
Esse sistema muito simples demonstra como um catalisador é capaz de converter uma fonte de energia química em movimentos controlados até a escala macroscópica, explorando a assimetria das constantes de velocidade das reações envolvidas no ciclo catalítico.
Este estudo publicado na revista Nature destaca o potencial dos motores moleculares artificiais para explicar um dos grandes princípios de funcionamento da vida. Também pode inspirar a concepção de novos elementos ativos no campo da ciência dos materiais e das nanotecnologias.
Referência:
Transducing chemical energy through catalysis by an artificial molecular motor
Peng-Lai Wang, Stefan Borsley, Martin J. Power, Alessandro Cavasso, Nicolas Giuseppone & David Leigh.
Nature 2024
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08288-x