Investigadores de la Universidad de Hokkaido han creado moléculas que pueden rotar internamente cuando se exponen a la luz, revolucionando potencialmente los interruptores moleculares, la informática y el desarrollo de fármacos. Inspirado en procesos naturales, este desarrollo ofrece nuevas vías para la manipulación molecular precisa y aplicaciones en terapias dirigidas y sistemas bioactivos.
Las moléculas que son inducidas por la luz para girar alrededor de enlaces centrales de grupos grandes cuando se exponen a la luz pueden crear sistemas bioactivos activados por la luz, interruptores moleculares, entre otras aplicaciones.
Investigadores de la Universidad de Hokkaido, dirigidos por el profesor asistente Akira Katsuyama y el profesor Satoshi Ichikawa en la Facultad de Ciencias Farmacéuticas, han ampliado el conjunto de herramientas de química sintética para crear una nueva clase de moléculas que pueden inducirse a circular internamente al entrar en contacto con la luz.
Se cree que un proceso similar es importante en algunos sistemas biológicos naturales. Las versiones sintéticas se pueden utilizar para realizar funciones de conmutación fotoquímica en tecnologías de detección y computación molecular, o moléculas bioactivas, incluidos medicamentos. Informan sus hallazgos Química de la naturaleza.
Avances en fotoquímica
«Conseguir un sistema como el nuestro ha sido un gran desafío en fotoquímica», afirma Katsuyama. «El trabajo supone una contribución importante a un campo emergente en la manipulación molecular».
En este estudio, se introdujeron átomos de azufre o selenio en un derivado de benzamida (arriba). Las moléculas resultantes sufren isomerización cuando se exponen a la luz o al calor. Crédito: Shotaro Nagami, et al. Química de la naturaleza. 28 de febrero de 2024
Las moléculas sintetizadas en este estudio forman diferentes isómeros cuando se irradian con luz azul. Crédito: Akira Katsuyama
Los conocimientos sobre el potencial de la luz para cambiar específicamente las conformaciones moleculares provienen del examen de ciertas proteínas naturales. Entre ellas se incluyen las moléculas de rodopsina en la retina del ojo, que desempeñan un papel importante en la conversión de la luz en señales eléctricas que crean el sentido de la vista en nuestro cerebro. Están surgiendo detalles sobre cómo la absorción de energía luminosa puede inducir una conformación retorcida de una porción de la molécula de rodopsina, necesaria para realizar su función biológica.
«Replicar esto en sistemas artificiales puede crear interruptores a nivel molecular con una variedad de aplicaciones potenciales», explica Katsuyama.
Innovaciones en rotación molecular.
Una innovación clave del equipo de Hokkaido fue la adquisición fotoestimulada (es decir impulsada por la luz) rotación de grupos moleculares alrededor de una serie de enlaces químicos que involucran un nitrógeno
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>atom con otros átomos de carbono unidos.
Las propiedades cíclicas se activan añadiendo componentes moleculares que contienen un átomo del grupo de elementos «calcógeno» de la tabla periódica, normalmente azufre o selenio, a una molécula orgánica simple: un compuesto de amida. Esto aportará un nuevo nivel de control y estabilidad a los sistemas de circulación fotoinducida artificiales.
En este estudio, se introdujeron átomos de azufre o selenio en un derivado de benzamida (arriba). Las moléculas resultantes sufren isomerización cuando se exponen a la luz o al calor. Crédito: Shotaro Nagami, et al. Química de la naturaleza. 28 de febrero de 2024
Algunos de los grupos químicos que giraban alrededor del enlace central eran relativamente grandes y estaban basados en anillos de seis átomos de carbono unidos. Esto facilita las transformaciones moleculares a gran escala que pueden ser necesarias para el uso práctico en sistemas de conmutación molecular.
Además de revelar los cambios fotoinducidos, el equipo también realizó cálculos teóricos que proporcionaron información sobre los posibles mecanismos por los cuales se produjo el reordenamiento. El equipo también exploró los efectos de la temperatura sobre los cambios. Una combinación de trabajo teórico y experimental debería ayudar a guiar investigaciones futuras para detectar y controlar cambios en sistemas ya adquiridos.
“Nuestra próxima prioridad de investigación se centra en el potencial de nuestros métodos para crear nuevas moléculas bioactivas activadas por la luz. Pueden aplicarse en la investigación biológica o posiblemente desarrollarse como fármacos», concluyó Ichikawa.
El uso de la luz para activar los cambios permite controlar dónde y cuándo ocurren los cambios. Esto podría ser importante para aplicaciones particularmente específicas en sistemas biológicos, incluidas posibles terapias.
Cita: «Rotación de doble enlace fotoinducida de sistemas que contienen nitrógeno realizada mediante sustitución de calcógeno» Shotaro Nagami, Rintaro Kaguchi, Tachi Akahani, Yu Harabuchi, Tohru Taniguchi, Kenji Mundi, Satoshi Maeda, Satoshi Akikawa, 22 y 28 de febrero Química de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41557-024-01461-9
El estudio fue financiado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, la Agencia Japonesa para la Investigación y el Desarrollo Médico, la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología y la Fundación Akiyama Life Science.
