Friday, April 13, 2007

Lección maxistral 'La química supramolecular: la química LEGO'

química supramolecular: la química LEGO'
José Vázquez Tato
Excmo. y Magfco. Sr. Rector, Excmos. e Ilmos. Sres, Sras. y Sres., amigos todos:La tradición arraigada de este Acto Académico, conmemorativo de la celebración de nuestro patrón Santo Tomás de Aquino, exige el desarrollo de una lección que el protocolo califica de Magistral. En el presente caso, este es un calificativo otorgado con excesiva generosidad por cuanto, no siendo más que un aprendiz de los verdaderos maestros de la disciplina, a los cuales simplemente me atrevo a comprender y a seguir en la investigación a considerable distancia, dificilmente puedo pretender sentirme maestro y mucho menos impartir lecciones magistrales. Si me he atrevido a aceptar el ofrecimiento del Excmo. y Magfco Sr. Rector para impartirla es únicamente porque al final de la misma no se hacen preguntas que evidencien mis múltiples carencias en el tema. Espero que al menos no se aburran y para ello recurriré a recordarles otros tiempos.


¿Quién no ha crecido, o al menos no ha jugado con su descendencia, con los ladrillos de la firma danesa LEGO, los cuales, con imaginación, paciencia y esfuerzo permiten construir torres, castillos o trenes? En la actualidad, la afición no queda limitada a los menores por cuanto que está ampliamente arraigada y difundida entre los adultos, como veremos inmediatamente.

Quizá pueda parecer publicidad gratuita o falto de rigurosidad suficiente el que en una conferencia de la categoría que se le debe suponer a ésta, aparezca en su título el nombre de una marca comercial. Pero en este caso, la denominación LEGO ha trascendido más allá de la marca acabando por definir un tipo de producto o juego. Otro ejemplo bien conocido es el Rimel para las pestañas ya que actualmente existen muchas marcas de "rimel".

En cualquier caso, vaya en mi descargo, que mi atrevimiento es ínfimo comparado con el de Brendan Powell quien ha recreado la Biblia. Ejemplo de su esfuerzo es La Ultima Cena, que, sin intención de ofender sensibilidades, permítaseme que la compare con otras ilustres "Ultimas Cenas" y aunque aquí sólo ilustro la comparación con las de Ghirlandaio, Bassano, Dalí y Florea, también podría compararse con las de Leonardo da Vinci, El Greco, Tiziano, Murillo, Sassu o Warhol.

Aunque apenas lleve un par de minutos de conferencia, a estas alturas no debe ya soprender la afirmación de que con estos ladrillos se hayan construido los objetos más diversos. Entre ellos me gustaría resaltar algunos objetos matemáticos como la banda de Moebius, el punto de silla (muy útil para explicar el estado de transición de una reacción química), Bart Simpson, El Pensador de Rodin, una mesa de despacho y otras que veremos más adelante, de las que son autores Andrew Lipson y Eric Harshbarger.

En la actualidad LEGO vende en torno a 200 millones de juegos al año en más de cien países y tiene más de 8.000 empleados. Fue fundada en 1932 por Ole Kirk Christiansen, en Billund (Dinamarca), aunque tal nombre fue adoptado en 1934. El mismo prodede de las palabras danesas "LEg GOdt" que significan "jugar bien". Lo curioso del caso es que en latín lego significa "leer" y "reunir." Por la denominación utilizada y para los propósitos de esta conferencia, es interesante resaltar que el predecesor del actual y familiar ladrillo fue creado bajo el nombre de Ladrillos Enlazantes Automáticos y destaco la palabra enlazante por sus evidentes connotaciones químicas.

El LEGO revolucionó el mundo del juguete ya que el jugador podía crear y crecer sin necesidad de seguir unas líneas marcadas de antemano. También deseo remarcar las palabras crear y crecer por cuanto han de ser las guías de toda actividad humana: musical, artística, artesanal,... y ¿cómo no? de la ciencia y la investigación. Desafortunadamente no siempre es así, por cuanto, no sólo es difícil ser creativo, sino que también lo es analizar el valor final al que puede dar origen la creatividad. Permítanme que les manifieste que tengo la sensación personal de que muchas de las ideas que han dado origen a realidades cotidianas actuales, que en su momento representaron novedades insospechadas, posiblemente no fuesen financiadas en estas latitudes. Sin ánimo de extenderme en este punto, me atrevo a afirmar que parte de la razón estriba en la forma con la que se escriben y analizan los proyectos de investigación. Se escriben con la rigidez clásica del soneto: 14 versos endecasílabos o alejandrinos, con rima consonante repartida en dos cuartetos y dos tercetos. El famoso "Érase un hombre a una nariz pegado..." de Francisco de Quevedo es quizá el ejemplo más difundido. Se analizan con parámetros históricos como experiencia previa o publicaciones en el tema objeto del proyecto, del que, como es obvio, si es novedoso, dificilmente alguien tendrá mucha experiencia o publicaciones previas. De no cumplir estas premisas, las posibilidades de recibir financiación son nulas.

La propia ejecución de un proyecto ya financiado sigue siendo muy rigida porque la misma ha de, necesariamente, someterse a la consecución de los objetivos enumerados en el proyecto. Con esta metodología el investigador se va autoencorsetando, autorrestringiendo su creatividad y ejecutando la ciencia más estándar posible que, sin duda, si se analiza desde la visión del egoismo personal, es la más rentable. Desde aquí propongo que debemos dejar volar la imaginación y dedicar un porcentaje (cualquiera que sea su valor numérico) a proyectos imaginativos que pretendan dar saltos cuantitativos en el mundo de la ciencia. Estoy totalmente convencido de que sus diseñadores/ejecutores alcanzarán siempre resultados magníficos aunque no correspondan en absoluto a su idea original.

Ahora bien, la sociedad tiene que estar dispuesta a financiar la creatividad, la imaginación. Confieso que, salvo momentos esporádicos, mi vida universitaria ha estado siempre más pendiente de decidir si puedo o no comprar una bombona de argón que de analizar el que dos moléculas se ensamblen. Es urgente que España duplique, al menos, sus gastos de investigación, atendiendo a las infraestructuras y al gasto ordinario, pero sobre todo al personal investigador, que es quien, en definitiva, puede poner la imaginación. De no hacerlo así se verificarán las palabras de Salvador Moncada (el segundo científico más citado de los últimos veinte años) cuando afirma: "Si no financiamos la investigación, nuestros mejores cerebros se dedicarán a jugar en bolsa".

Aparcaré la reflexión anterior y volveré a mi juguete. Para mis propósitos analizaré en primer lugar cómo es el sistema de ensamblaje de las piezas del LEGO. En pocas palabras podemos decir que se basa en el viejo sistema de machihembrado tan común en carpintería y ebanistería (no sin razón, Ole Kirk Christiansen era maestro carpintero) y en el simple hecho de que cada pieza posee simultáneamente la dualidad macho-hembra. En Química Supramolecular, al macho suele denominársele huésped o donante y a la hembra hospedador o aceptor. Tal dualidad en la misma pieza permite que, después de un ensamblaje, la pieza resultante mantenga la característica dual macho-hembra tal y como muestra la figura. La figura muestra también el sistema de engarce mecánico entre las piezas, el cual permite que se mantengan unidas y estables en su posición, ilustrando cómo encajan macho y hembra tras su unión.

El catálogo de piezas del sistema LEGO es muy amplio, manteniendo todas ellas el mencionado sistema de ensamblaje. Las piezas, si se descartan las especiales para acabados, de carácter técnico (como ruedas), accesorios temáticos, puertas, ventanas, tejados, etc., pueden clasificarse como piezas de la forma m´n donde m varía entre 1 y 2, y n entre 1 y 8.

Me detendré por un momento en la pieza 1´1. Es obvio que sólo permite construir columnas monodimensionales. Si cada pieza 1´1 recibe el nombre de monómero, la columna resultante es un polímero. La diferencia entre un polímero químico convencional y la columna del LEGO es que, en el polímero, el monómero ha perdido su verdadera identidad. Por ejemplo, el monómero estireno origina por polimerización radicalaria el poliestireno (altamente utilizado como aislante térmico o para las conocidas bandejas blancas para la fruta y la carne de cualquier tienda o supermercado). La diferencia no sólo radica en la nomenclatura, sino también en su estructura química y en sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Así, el estireno (monómero) es cancerígeno, mientras que el poliestireno no lo es. Precisamente uno de los retos que han de afrontar los fabricantes de poliestireno expandido es la de garantizar que no permanezcan residuos de monómero en el producto final.

Las proteínas son un excelente ejemplo de polímero macho-hembra. En ellas los distintos aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces amida resultado de la unión del grupo ácido de un residuo con el grupo amino del residuo adyacente. Esta secuencia de aminoácidos constituye la estructura primaria de la proteína. Por lo tanto, las piezas LEGO 1´1, en las que cada color podría representar un aminoácido diferente, sólo permiten dar cuenta de la estructura primaria de la proteína. Ello es debido a la rigidez de los ensamblajes en el LEGO, rigidez parcialmente ausente en una proteína como consecuencia del giro, relativamente libre, alrededor de los enlaces. Las interacciones internas permiten comprender las estructuras secundaria y terciaria de las proteínas.

Decía que en un polímero químico convencional el monómero ha perdido su verdadera identidad. Esto no es así en un polímero supramolecular. Un ejemplo lo clarificará mejor. La molécula que muestro a continuación está formada por dos residuos, macho y hembra, esto es, huésped y hospedador. En este caso, el hospedador es la b-ciclodextrina y el huésped el grupo adamantilo. En la figura de la derecha muestro una representación esquemática del derivado. Si el mecanismo de machiembrado comentado para el LEGO funciona con el ladrillo químico, la columna resultante sería la que recojo esquemáticamente en la figura y que también puede modelarse con las manos. Debo remarcar que, como en el caso del LEGO, la columna resultante mantiene la característica dual macho-hembra, huésped-hospedador.

Ahora bien, el engarce en el LEGO es de carácter mecánico pero ¿cuál es el engarce en el LEGO químico? Obviamente son las fuerzas intermoleculares de las que la más importante es el enlace de hidrógeno al que dedicaré una atención especial un poco más tarde. Para comprender mejor el proceso de machiembrado químico dedicaré unos momentos a analizar la estructura, propiedades y aplicaciones de las ciclodextrinas.

Las ciclodextrinas son un grupo de moléculas naturales cíclicas constituidas por unidades de glucopiranosa unidas por enlaces a(1,4). Las denominadas naturales tienen 6, 7 u 8 unidades denominándose, respectivamente, a-, b- y g-ciclodextrina.? La figura muestra la estructura troncocónica hueca del derivado b- y el valor aceptado para el diámetro de su cavidad, aproximadamente 6,3 Å. Esta cavidad tiene un fuerte carácter hidrófobo.

Debido a su estructura cíclica hueca, las ciclodextrinas pueden hospedar distintos compuestos formando complejos de inclusión cuya estequiometría más usual es 1:1. Esta peculiar característica de formar complejos de inclusión estables, permite que las ciclodextrinas tengan multitud de aplicaciones en farmacología, biotecnología, tecnología de alimentos, cosmética, química analítica, etc.,

Las fuerzas intermoleculares que hacen posible que se forme el complejo son fuerzas de Coulomb, dipolo-dipolo, van der Waals, enlaces de hidrógeno, etc. que impiden la separación de los componentes. Además la formación de un complejo de inclusión requiere de una compatibilidad geométrica, esto es, las ciclodextrinas son capaces de formar complejos de inclusión con componentes que tienen un tamaño comparable a las dimensiones de su cavidad. En términos ebanísticos, la caja no puede tener un diámetro menor que la espiga. Al tener distinto diámetro interno, la a- b- y g -ciclodextrina son capaces de acomodar moléculas de distinto tamaño.

Es hora de que vuelva a la columna química LEGO. En primer lugar se disolvió el producto en la mínima cantidad posible de dimetilformamida y a continuación se recristalizó en agua. La resolución del cristal ha permitido poner de manifiesto la obtención de un polímero supramolecular en forma de columna como consecuencia del autoensamblaje del ladrillo básico, en el que el grupo adamantilo (macho) se inserta en la cavidad de la ciclodextrina (hembra) de una molécula adyacente, entrando por el lado más amplio de la ciclodextrina. En definitiva el sistema LEGO también funciona en química.

En el catálogo LEGO no se ofertan piezas macho-macho ni hembra-hembra, a pesar de que con ellas se podrían obtener los mismos ensamblajes y por lo tanto las mismas estructuras finales. La razón parece obvia por cuanto que ello obligaría a LEGO a disponer de dos tipos de piezas que, en realidad, al ensamblarse se transforman en un montaje con terminales macho-hembra. Así que no merece la pena multiplicar el número de piezas básicas de un modo innecesario.

Pero en Química las piezas duales huésped-huésped y hembra-hembra pueden ofrecer ventajas. En primer lugar, en este tipo de piezas, al ser idénticas las dos posiciones de ensamblaje, los acoplamientos por uno u otro lado son indistinguibles. La consecuencia es una simplificación elevada de las ecuaciones definitorias de los equilibrios químicos implicados. En segundo lugar, la síntesis de especies simétricas es mucho más fácil que la de especies asímetricas, entre otra razones, por la ausencia de selectividades específicas. La obtención del polímero molecular nylon-6,6 a partir de la hexametilendiamina y el ácido adípico es un ejemplo de este tipo de situaciones ya que el polímero se obtiene por reacción de dos especies homoduales macho-macho y hembra-hembra. Merece la pena que destaque que, como en el caso del LEGO, después de una monoadición, el oligómero se convierte en un aminoácido o especie heterodual (macho-hembra). En cualquier caso, también pueden aparecer problemas. Así, si la relación estequiométrica entre ambos tipos de monómeros no es perfecta, el tamaño o peso molecular del polímero resultante baja drásticamente.

En la siguiente figura muestro la obtención de un polímero supramolecular lineal a partir de dos monómeros homoduales con funciones complementarias. El grupo de investigación que tengo el honor de dirigir tiene amplia experiencia en la síntesis de diversos monómeros homoduales que posteriormente son complejados con dímeros de ciclodextrina. Aquí, y por semejanza con la molécula macho-hembra ya estudiada me limitaré a reflejar un dímero de adamantano soluble en agua. Su imaginación puede hacer el resto. Sin embargo, para ayudarla les mostraré algunos de los polímeros lineales ya publicados con una especie natural, no sintética pero dual (o ditópica) como el desoxicolato sódico. Es una especie dual porque forma con monómeros de b-ciclodextrina complejos de estequiometría 1:2. Ya no les sorprenderá el hecho de que con dímeros de ciclodextrina forme polímeros supramoleculares lineales.

Decía que con las unidades 1´1 de LEGO sólo se pueden construir columnas monodimensionales, o lo que es lo mismo, para ejecutar diseños bi- y tri-dimensionales necesitamos recurrir a piezas m´n con m o n mayores que 1. Algún fan del LEGO afirma que la mejor pieza es la 1´3. En Química Supramolecular, para obtener estructuras no lineales, es necesario disponer de oligómeros de orden superior al dímero. Un trímero es más que suficiente. Un simple análisis predictivo de la estructura originable por un trímero homohembra con un dímero dual macho sugiere la formación de "árboles de Cayley". Así que, en el seno del grupo se sintetizó un trímero de ciclodextrina y como huésped ditópico se consideró que el propio desoxicolato sódico, que tan buenos resultados había proporcionado anteriormente, sería una elección suficiente. El resultado obtenido fueron las estructuras fractales que se muestran en la fotografía de la figura que sugieren la obtención del árbol de Cayley.

La característica esencial del LEGO, que lo distingue de otros juegos, es el hecho de que sus piezas, excluídas las específicas, tienen validez universal, esto es, pueden ser utilizadas en la construcción de cualquier objeto, independientemente de su forma y estructura final. ¿Existe esta característica en la Química Supramolecular? Adelanto el sí como respuesta, pero antes de comentar algún ejemplo es necesario que diga algunas palabras sobre el enlace de hidrógeno.

El enlace de hidrógeno es posiblemente la fuerza intermolecular de mayor trascendencia. Puede ser considerado como un caso especial de interacción dipolo-dipolo que aparece entre grupos funcionales D-H y A cuando D y A son átomos muy electronegativos. Al átomo o grupo D, al cual está unido covalentemente el átomo de hidrógeno, se le denomina donante mientras que al A se le conoce como aceptor. La distancia típica entre donante y aceptor está comprendida entre 2,8 y 3,1 Å y su energía de enlace es aproximadamente 20 kJ/mol, es decir, del orden de la vigésima parte de la energía del enlace covalente oxígeno-hidrógeno. Es el responsable fundamental de la estructura secundaria (a-hélice o b-laminar) de las proteínas. El carácter direccional del enlace de hidrógeno es su muy útil para el diseño de arquitecturas supramoleculares.

Para ilustrar la intercambiabilidad de las piezas y, al mismo tiempo, destacar el papel del enlace de hidrógeno, debo comentar los trabajos de diversos autores en los que se forman algunos hexámeros cíclicos. La figura adjunta muestra un ejemplo en el que se incorpora la secuencia aceptor-aceptor-donante de la citosina y la secuencia complementaria donante-donante-aceptor de la guanina, orientadas mutuamente a 120º. Debo hacer notar que ninguna de las secuencias es 100% donante ni 100% aceptora lo que permite un recocimiento entre las moléculas más seguro. La estructura resultante de la autoasociación fue resuelta mediante espectroscopia de rayos X y se mantiene unida gracias a los 18 enlaces de hidrógeno formados.

Con variantes mínimas, la misma unidad básica ensamblante ha sido utilizada para la formación de nanotubos. En la figura observamos, de nuevo, la formación de un rosetón de seis unidades con 18 enlaces de hidrógeno. Los rosetones se apilan formando un nanotubo con doce canales periféricos (formados por los éteres corona, sobre los que volveré más adelante) que pueden servir como canales de iones. El diámetro interior del rosetón es de 11 Å. La estructura del tubo se mantiene por las interacciones electrostáticas, hidrófobas y de apilamiento.

El tercer ejemplo es, sin duda, el más conocido de todos: hablo del DNA. Como es bien conocido su estructura fue propuesta por Watson y Crick, y permítanme que resalte la contribución, no reconocida en un primer momento, de Rosalind Franklin. Menos conocido es el hecho, según historia apócrifa, de que antes de que propusieran la estructura en doble hélice, Watson y Crick habían visitado las escaleras de Santo Domingo de Bonaval. Algunas de las imágenes aquí presentadas pueden verse en movimiento en la página web que se indica y que recomiendo visitar. En cualquier libro de texto de Bioquímica aparecen indefectiblemente los enlaces de hidrógeno entre la timina y la adenina y entre la citosina y la guanina.

Aquí me limitaré a reseñar los hechos fundamentales de la estructura del DNA que, por otra parte son bien conocidos:1) Las dos cadenas, enrolladas una alrededor de la otra, forman una doble hélice girando en torno a un eje imaginario. Las cadenas se mantienen equidistantes a 11 Å.2) El esqueleto helicoidal está formado por una secuencia alternante de desoxirribosa y fosfato, unidos por enlaces fosfodiéster 5'-3'.3) Las cadenas están unidas entre sí mediante pares de bases que se dirigen desde cada cadena al eje central imaginario. Las bases de cada par están en el mismo plano, el cual es perpendicular al eje de la hélice. La adenina se empareja siempre con la timina mediante dos enlaces de hidrógeno, mientras que la citosina se empareja siempre con la guanina por medio de tres enlaces de hidrógeno. Debido a este reconomiento molecular mutuo, las secuencias de bases de ambas cadenas son complementarias. Estas son básicamente las interacciones o piezas que he mostrado en los dos ejemplos anteriores.4) Los pares de bases presentan una rotación de 36º con respecto al par adyacente, de forma que hay 10 pares de bases por cada vuelta de la hélice, dato particularmente interesante para lo que mostraré a continuación.

He dicho que en el DNA real las dos cadenas están enrolladas en torno a un eje imaginario. En una primera versión del DNA, Harshbarger necesitó un eje físico que sirviese de soporte estructural de la doble hélice. La hélice tiene un diámetro de 64 "LEGO bricks" y 1,20 m de altura. Las cadenas laterales (azules) tienen una altura de tres unidades. Cada base está identificada por un color diferente. Debo hacer notar que hay un fallo de construcción: el sentido de giro de la hélice es inverso al correcto. Sin embargo, Harshbarger, a requerimiento de un editor de una revista de genética que la deseaba para ilustrar una portada, construyó una nueva versión que no necesita la columna vertical para mantenerse erguida. De este modelo merece la pena que destaque que tiene "10,5 pares de bases por una vuelta completa de la hélice". Según el propio autor "¡no lo había planificado!".

Antes de continuar me gustaría comentar aquí que muy recientemente ha sido publicada una doble hélice de DNA con una espiral que es un 20% más ancha que la natural. Ello se consiguió gracias a la adición de un anillo bencénico a la adenina (A) y a la timina (T) resultando bases expandidas xA y xT. Estas bases extendidas se hibridan con las naturales originando el DNA expandido o xDNA. La figura adjunta es autoexplicativa. Las dobles hélices de xDNA son más estables termodinámicamente que el DNA natural lo que ha sido atribuido a las interacciones de apilamiento o interacciones p-p entre los anillos aromáticos, es decir, el mismo tipo de interacciones que aparecen en el grafito y que explican la estructura cristalina en forma de espina de pescado del benceno. Como las nuevas bases son fluorescentes podrán ser utilizadas para marcar y observar el DNA.

La capacidad del DNA para formar estructuras supramoleculares es casi ilimitada. Les mostraré sólo algunos ejemplos debidos a N. C. Seeman de la Universidad de Nueva York, líder indiscutible en esta disciplina. A la hora de hacer nanoconstrucciones, el DNA tiene una serie de ventajas, que no describiré por no ser prolijo, sobre otros sofisticados diseños ensamblables.

Para comprender alguno de estos diseños es necesario conocer en primer lugar la unión Holliday que es posiblemente el intermedio de DNA más importante en la recombinación genética. En la figura recojo un ejemplo de unión Holliday que muestra que los parámetros geométricos de la misma son perfectamente conocidos. Esta unión consiste en cuatro cadenas de DNA emparejadas en cuatro ramales de dobles hélices en torno a un punto de ramificación. Si en el entorno del punto de ramificación las cadenas tienen una secuencia simétrica, entonces puede ocurrir la relocalización del punto o migración ramal. La mayoría de la información acerca de los puntos de unión ramificados procede de estudios con uniones inmovilizadas constituidas por complejos de cuatro cadenas en las que se ha eliminado la secuencia simétrica. La figura muestra en movimiento cómo ocurre esta migración ramal. Es claro que una imagen vale más que mil palabras.

A partir de la unión Holliday se pueden construir redes. Para ello es necesario que las terminales de cada cadena tengan complementariedad entre las bases (indicado mediante la utilización de la misma letra con o sin comilla). El cierre de las uniones se consigue mediante una DNA-ligasa. Como las terminales de las uniones mantienen siempre las valencia abiertas, la estructura se puede extender mono- y bidimensionalmente por adición de más monómeros.

Al utilizar DNA doblemente entrecruzado, conocido simplemente como DX y que corresponde a pares de uniones ramificadas de cuatro brazos que han sido ligadas a dos brazos adyacentes, Seeman ha podido conseguir nuevos diseños. Aunque puede sorprender, existen únicamente cinco isómeros posibles, de los que tres tienen dominios paralelos (y que son relevantes en procesos biológicos) y dos son antiparelos, mucho más estables en sistemas con poca separación entre los entrecruzamientos. En la figura recojo estos cinco dominios. A partir de los mismos se pueden conseguir estructuras más complejas por engarce a través de sus extremos complementarios originando, en disolución, formaciones bidimensionales a través de enlaces de hidrógeno. La separación entre los engarces es aproximadamente 32 nm. Seeman también ha desarrollado ensamblajes con moléculas de DNA triplemente entrecruzadas aunque de las mismas no muestro ningún ejemplo.

Para terminar con el capítulo del DNA mostraré las topologías que Seeman ha conseguido con una única cadena. Pueden ser cuatro: círculo, trébol con nudos negativos, ocho y trébol con nudos positivos.

Existen dos tipos de nudos: positivos y negativos. El DNA natural, denominado B-DNA es una molécula con hélices que giran a derechas (como los tornillos). Los entrecruzamientos de las dos cadenas generan nudos negativos. Existe otra forma de DNA, denominado Z-DNA, cuya hélice gira a izquierdas por lo que sus nudos son positivos. Aunque, desde un punto de vista topológico el B-DNA y el Z-DNA son imágenes especulares, en la realidad tridimensional esto no es así porque este último tiene una estructura en zig-zag. El B-DNA puede sufrir una transformación B®Z y originar Z-DNA. La tendencia de un segmento de DNA a sufrir una transformación B®Z depende de dos variables: secuencia de dinucleótidos y modificación de las bases (por ejemplo introduciendo un grupo metilo en la posición 5 de la citosina). La figura adjunta muestra una molécula con dos pares de dominios, cada uno de elllos conteniendo un giro completo de la doble hélice. Cada uno de estos cuatro dominios (o regiones complementarias) es capaz de sufrir la transición B®Z, aunque uno de ellos la experimenta con mayor facilidad. Así:

1) A baja fuerza iónica: ningundo de los dominios forma dobles hélices resultando topología del círculo.2) A mayor fuerza iónica, ambos dominios forman B-DNA, resultando el trébol con nodos negativos. ¿Cómo no? ¡también tenemos el trébol en LEGO!3) En condiciones medias de promoción Z, el dominio más sensible se convierte en Z-DNA, resultando el ocho.4) Finalmente, en condiciones más vigorosas de promoción Z, el segundo dominio también se convierte en Z-DNA, y origina el trébol con nodos positivos.La interconversión entre las distintas topologías está catalizada por DNA-Topoisomerasas I y III.

En relación con lo que comenté al principio, es interesante lo que Seeman recuerda de los intentos de publicar sus primeros trabajos hace aproximadamente veinte años. Al utilizar el DNA como una herramienta química, los revisores o editores de las revistas indefectiblemente preguntaban ¿dónde está la genética? y no publicaban sus trabajos. ¡Eran demasiado novedosos!Pasaré ahora a otro capítulo.

Para la construcción de objetos temáticos o específicos, LEGO dispone de un catálogo ampliamente surtido comprendiendo piezas técnicas como ruedas, ejes, engranajes, motores, fuentes de energía, neumática, etc. ¿Qué nos ofrece la química supramolecular en este terreno?

Para contestar a esta pregunta tengo que retroceder a los años 60 y observar el trabajo de Pedersen, a quien por cierto, no le gustaba escribir trabajos científicos. En su trascendental trabajo que consta de veinte páginas describe la síntesis, identificación, estructura y propiedades de 33 poliéteres cíclicos a los que denominó éteres corona. Asimismo describe la preparación de complejos estables entre estos éteres y cationes como Li+, Na+ y otros. Por lo tanto, el éter juega el papel de hospedador o hembra y el catión el de huésped o macho. Está universalmente reconocido que el trabajo de Pedersen es uno de los pilares iniciales de la Química Supramolecular. Pedersen compartió el premio Nobel de Química de 1987 con Donald J. Cram y Jean-Marie Lehn. Su descubrimiento fue serendípico, esto es por casualidad. El propio Pedersen lo describe así:

"Mi descubrimiento tuvo mucho de casual. Realizando una reacción, observé la aparición de un subproducto blanco, fibroso y cristalino. Una vez que lo aislé, observé que este material era capaz de combinarse con sales inorgánicas como el NaCl y el KCl, haciendo que fuesen solubles en líquidos orgánicos en una forma que antes no había sido posible. Después fui capaz de obtener el producto intencionadamente y diseñar una síntesis sistemática. Se trataba de un poliéter cíclico que al combinarse con la sal inorgánica formaba un complejo en el que el éter cíclico se coloca alrededor del catión metálico de la sal. ¡Fue claramente un descubrimiento serendípico!"

La denominación "éter corona" de los nuevos compuestos supuso una simplificación enorme en su nomenclatura, no extrañándome que, como Pedersen confesó, tuviese dificultades para recordar los nombres sistemáticos. Así el nombre sistemático del primer éter corona que descubrió, cuya imagen tenemos en la figura, es: ¡2,3,11,12-dibenzo-1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadeca-2,11-dieno! Lo que nunca confesó Pedersen ¡es que había estado en Lugo y observado la ciudad rodeada por la Muralla!

En la siguiente figura muestro un primer ejemplo de las aplicaciones derivadas del descubrimiento de Pedersen. Así, el [21]corona-7 L-fenilalanina se incorpora a un péptido a-hélice de 21 aminoácidos y 15 residuos hidrófobos de L-leucina. Los residuos del éter corona están ubicados en la cadena de modo tal que pueden alinearse para formar un canal. El canal fue incorporado a una bicapa lipídica sintética y se demostró que los iones la atravesaban. El éter corona fue elegido de modo tal que no formase complejos fuertes con el K+ (lo que sí ocurriría con el [18]corona-6) y así evitar el bloqueo del canal.

El segundo de los ejemplos se refiere al problema de medir K+ en presencia de grandes cantidades de Na+. El problema puede resolverse gracias al criptando adjunto cuyo grupo cromóforo fluoresce con una intensidad proporcional a la concentración de K+. Además, concentraciones de Na+ hasta 145 mM no afectan el análisis. Una de sus aplicaciones concretas se refiere a la determinación de K+ en sangre para lo cual se fija la molécula a un polímero que permite la construcción de un dispositivo que realiza la determinación de un modo continuo.

En el párrafo anterior he utilizado la palabra criptando. Y es que el descrubrimiento de Pedersen desencadenó la obtención de toda una cascada de nuevos contenedores de iones y complejos, algunos de los cuales tienen denominaciones que servirían como títulos de películas de terror: esferandos, criptandos, sepulcrandos, sarcofaguina, calixarenos, sideróforos, etc. En el diseño de los nuevos compuestos se buscaba, entre otros aspectos, que la constante de equilibrio fuese cada vez mayor, eliminando efectos entrópicos desfavorables mediante una menor reorganización de la estructura del receptor o, recuerdo, hembra. Entre los valores más altos figura la complejación de Ag+ por oxaza-éteres corona ya que en agua el logaritmo decimal de la constante es 7,80. Este elevado valor es consecuencia de que, de acuerdo con el principio HSAB, los heteroátomos donantes más blandos aumentan la afinidad de la corona por los metales de transición.

La complejación de cationes por esferandos permitió aumentar el valor de la constante de equilibrio en varios órdenes de magnitud. Así la constante de equilibrio de formación del complejo de Li+ con el esferando de la figura supera el valor de 1016 moldm-3. Este hecho es consecuencia de que el ligando está preorganizado, es decir, no necesita reordenamiento para alojar el catión. El ligando es además rígido para evitar que autorrellene la cavidad.

Sin embargo, estos valores no son nada al compararlos con algunas constantes de complejación del hierro por sideróforos. El hierro es un elemento esencial para la vida. Sin embargo, para las bacterias y los hongos es muy difícil de obtener debido a que la hidrólisis del hierro(III) limita su concentración a un valor tan bajo como 10-18 moldm-3 a pH 7. Para atraparlo estos microorganismos producen agentes complejantes denominados sideróforos. Así, la enterobactina forma complejos extremadamente estables con el hierro(III) ya que la constante de equilibrio para el complejo que mostramos en la figura alcanza el estimable valor de 1052 moldm-3. Una vez dentro de una bacteria, un enzima rompe el esqueleto del complejo y libera el hierro.

¿Puede conseguirse un valor todavía más alto? Esta pregunta retórica tiene la obvia respuesta afirmativa. Pero antes de mostrarla tengo que volver a hacer un paréntesis y hablar de los metalfulerenos endohédricos.

El buckminsterfulereno (nombre original) o fulereno C60 es una molécula constituida por sesenta átomos de carbono. Es esférica de 7-8 Å de diámetro y está formada por doce pentágonos y veinte hexágonos. Cada átomo de carbono ocupa un vértice y se une a otros tres átomos, lo que origina una molécula con un elevado grado de simetría. Es una tercera forma alotrópica del carbono (las otras son el grafito y el diamante), descubierta en 1985 por los premios Nobel de Química H. W. Kroto, R. F. Curl y R. E. Smalley. Su estrutura recuerda un balón de fútbol, una piedra del neolítico o las obras de marquetería de Giovanni. Su nombre original constituye un homenaje al arquitecto Richard Buckminister Fuller quien desarrolló la estrutura del "Domus geodésico". En la actualidad existen otros fulerenos (C70, C76, C84, etc.) que son menos simétricos que el C60 por lo que sus propiedades físicas son inferiores a las de este último.

¿Con qué se podría rellenar la cavidad vacía de los fulerenos y en particular del C60? Algunos autores han decidido rellenar la cavidad con diferentes elementos o iones de la tabla periódica existiendo ya diversos aproximaciones a su síntesis. De este modo surgen los denominados metalfulerenos endohédricos.Para tomar imágenes mediante la técnica de resonancia magnética de imagen (MRI) es necesario utilizar sustancias químicas que originen imágenes brillantes y contrastadas. El fenómeno físico que las explica es la disminución de la relajación de los protones del agua cercana al agente de contraste. Con este fin se utilizan diversos iones, destacando el gadolinio(III) que se utiliza en forma de quelatos de los que el más difundido comercialmente es, con diferencia, el Magnevist. Pues bien, ya se ha conseguido introducir el Gd(III) en el interior del C60 siendo las características fundamentales del complejo las siguientes:

1) La capacidad de relajación del complejo es cinco veces mayor que la del Magnevist debido a que el complejo relaja los protones de las moléculas de agua con enlaces de hidrógeno sobre la enorme superficie del fulereno (>200 Å2).2) Una vez encapsulado el ion, este no puede salir, es decir, su constante de disociación es cero o, equivalentemente, su constante de formación es infinita. Se ha superado a los sideróforos y con el secuestro se impide la toxicidad del ion.3) La carga del complejo es cero.

De todas formas la mínima cantidad sintetizada de estos productos hace que tenga un precio estimado en torno al ¡millón de dólares por gramo! Algún día otros países incluyendo el nuestro pagarán esta investigación.

La segunda forma de llenar la cavidad es con un gas y parece lógico empezar por el hidrógeno. Así se ha sintetizado un fulereno abierto, cuya boca es lo suficientemente grande como para permitir la entrada de una molécula de hidrógeno. La cavidad del fulereno se llena por exposición al gas a 800 atm y 200 ºC durante 8 horas, siendo el rendimiento de la encapsulación del 100%. A temperatura ambiente no existe pérdida del hidrógeno, pero al elevar la temperatura hasta 160 ºC se produce una liberación lenta del gas. También se ha detectado que la irradiación con laser cierra el fulereno con el hidrógeno en su interior, obteniéndose el complejo H2@ C60.

Aparentemente me he desviado de la trayectoria que me había marcado pero no es así. Cuando el huésped o macho es estrecho y largo (que nadie entienda connotaciones sexuales en esta afirmación) los éteres corona forman los denominados rotaxanos. Estos rotaxanos los forman también las ciclodextrinas y otros macrociclos como cucurbituril, calixarenos, etc.

El término rotaxano se aplica a complejos químicos que tienen la particularidad de que una parte de los mismos (rueda) puede girar en torno a un componente lineal (eje). Como eje vale cualquier molécula lineal larga. La figura muestra un rotaxano en el que el compuesto lineal (macho) posee grupos voluminosos terminales que impiden la salida del macrociclo. Es obvio que entre ambos componentes no existe ninguna unión covalente. La bibliografía es rica en diversos tipos de rotaxanos: según la naturaleza de los grupos terminales del eje, cabezas terminales diferentes o no, la estructura química del eje y la rueda, o el número de ruedas por eje. En este último caso se denominan polirrotaxanos.

La siguiente figura resume los diferentes tipos de polirrotaxanos de los que tengo referencia. En el campo de las ciclodextrinas sólo se han obtenido los indicados en primer y segundo lugar.

Para obtener los polirrotaxanos lineales es necesario utilizar un eje polimérico como por ejemplo polietilenglicol, polipropilenglicol, poliisobutileno, etc. La estructura y estequiometría de los complejos formados están perfectamente determinadas y concuerdan con los datos conocidos de las dimensiones moleculares. En definitiva las ciclodextrinas actúan como perlas atravesadas por un hilo (polímero) por lo que Harada bautizó a este tipo de compuestos con el nombre de collares. En comparación con la formación de complejos con huéspedes simples, la formación de collares puede ser enormemente lenta abarcando periodos de varios meses de duración. El rendimiento en su obtención ha llegado hasta valores tan altos como el 68%.

Como continuación de su trabajo Harada tuvo la idea de unir covalentemente las ciclodextrinas insertadas y retirar posteriormente el polímero. El resultado fue la formación de una estructura tubular de masa molecular aproximadamente 2´104 g/mol, consistente con la masa molecular del polirrotaxano de partida. Por lo tanto, el tubo tiene del orden de 15 unidades de a-ciclodextrina.

Dejaré ahora aparcadas las ruedas.

En una conferencia pronunciada a finales de diciembre de 1959 Richard Philips Feynman afirmó lo siguiente:"De lo que quiero hablar es del problema de manipular y controlar objetos a muy pequeña escala. Tan pronto como lo menciono, se me habla de miniaturización y hasta donde se ha llegado en la actualidad. Se me habla de motores eléctricos del tamaño de una uña o del dedo meñique. Ya existe este dispositivo en el mercado, se me dice. Se me dice que se puede escribir una oración al Señor en la cabeza de un alfiler. Pero eso no es nada, eso es lo más arcaico. Un mundo asombrosamente pequeño subyace debajo. Hacia el año 2000, cuando se mire hacia esta época, se preguntarán por qué no fue hasta el año 1960 cuando alguien comenzó a moverse seriamente en esa dirección..."

Ya he mostrado algunos ejemplos de ese nanomundo al que Feynman se estaba refiriendo y, aunque son muchos los aspectos que hemos tenido que ir dejando en el tintero, para no agotar su paciencia e ir finalizando, hablaré de máquinas moleculares. Personalmente prefiero llamarlos simplemente motores porque, como rezan los libros de "Conocimiento del medio" de mis hijas "los motores son máquinas que transforman la energía en movimiento". También ya les he mostrado algunas imágenes de los motores de LEGO. ¿Qué nos ofrece la Química Supramolecular?

La metodología a seguir la resume el esquema adjunto en el que muestro que al recibir un estímulo externo (químico, electroquímico, fotoquímico, cambio de pH, etc.) una entidad supramolecular puede transformar su estructura y alcanzar una nueva geometría implicando un movimiento translacional o rotario de sus componentes. Además, el proceso ha de ser reversible, esto es, volver a su posición de partida cuando el estímulo es retirado o el artilugio recibe un contraestimulo. De este modo, el mecanismo funciona de una forma cíclica que es lo requerido por cualquier motor termodinámico o electromagnético. Ahora les mostraré algunos ejemplos.

Así, existen motores relacionados con el isomerismo traslacional. El esquema simplificado de la figura muestra un rotaxano cuyo macrociclo puede anclarse en dos posiciones diferentes, exhibiendo un movimiento de vaivén. En el ejemplo, un ciclofano tetracatiónico hospeda un huésped que posee dos unidades diferenciadas: una unidad bencidínica y un bifenol, siendo la primera de ellas más rica en electrones. Gracias a la interacción electrostática el ciclofano (recordemos tetracatiónico) se ubica sobre la unidad bencidínica, siendo esta ubicación del 100% en acetonitrilo a -44ºC. Por protonación de la bencidina, convertimos esta unidad en un catión por lo que se produce una repulsión electrostática que debilita la interacción huésped-hospedador haciendo que el ciclofano se traslade hacia la posición del bifenol. La conversión en catión de la unidad bencidínica puede conseguirse por protonación, estímulo químico, o por oxidación de la misma mediante un estímulo electroquímico o químico. Si se invierte el proceso, esto es, desprotonación o reducción de la bencidina, el sistema recobra su posición inicial. En defitiva el proceso es reversible.

El segundo de los ejemplos corresponde a un catenano. Los catenanos se forman por la unión mecánica de al menos dos compuestos cíclicos como muestro en la figura. Para conseguir el motor uno de los dos eslabones de la cadena debe girar siguiendo el aro del otro eslabón, exhibiendo un movimiento rotatorio. En el presente ejemplo el eslabón de la cadena que gira consiste en un éter corona que posee dos residuos diferentes ricos en electrones p: uno de ellos es un tetratiafulvaleno disustituido, al que denominaré abreviadamente TTF) y el otro es el residuo 1,5-dioxynaftaleno. En su estado más estable, la unidad TTF se ubica en el interior de la cavidad del ciclofano tetracatiónico. La oxidación química y/o electroquímica del TTF da un radical monocatiónico TTF+ o un dicatión TTF2+ por lo que, debido a la repulsión electrostática es expulsado de la cavidad tetracatiónica y reemplazado por el anillo neutro del dioxonaftaleno. En definitiva, se produce la rotación del poliéter macrocíclico. Esta acción va acompañada por un dramático cambio de color desde el verde (que corresponde a la situación inicial) hasta el púrpura (que corresponde al estado final). Si posteriormente se produce una reducción, química o electroquímica, se recupera el estado original.

El último de los ejemplos, diferente a los anteriores, corresponde al DNA e implica la utilización de la interconversión del B®Z del DNA, de la que ya he hablado con anterioridad. Para ello se conectan dos dobles moléculas entrecruzadas (en rojo y azul) a través de un segmento que contiene una región que permite la interconversión B®Z (en amarillo). La interconversión se consigue mediante la adición de cloruro de hexaaminocobalto (III) y el proceso se invierte por la extracción de este reactivo. En la figura los círculos indicados representan colorantes fluorescentes unidos al dispositivo que permiten demostrar la interconversión. Aunque no me detendré en ellos el DNA permite la consecución de otros dispositivos mecánicos.

Hace un momento afirmé que he tenido que dejar muchas cosas en el tintero. Por no mencionar más que algunas citaré las clásicas micelas, vesículas o membranas y los procesos de reconocimiento molecular, ensamblaje e interacción entre macromoléculas como proteínas y DNA tan importantes para la vida por estar relacionadas con aspectos como catálisis enzimática, encefalopatías espongiformes transmisibles (incluyendo la enfermedad de síndrome de Creutzfel-Jakob), etc. Tampoco he mencionado los procesos de autorreplicación o los fenómenos de cooperatividad que surgen en los procesos de ensamblaje. Al fin y al cabo, la química supramolecular no es más que una sociología molecular y, en este contexto, un virus no es más que una estructura supramolecular. Si espero haber puesto de manifiesto la importancia de la Química Supramolecular en relación con las denominadas nanotecnologías.

Permítaseme que finalice con las palabras de Jean-Marie Lehn referidas a lo que el futuro demandará de esta Química LEGO. Afirma este premio Nobel de Química que "hasta fechas recientes la Química no ha ahondado en la respuesta a las preguntas-¿Cómo se vuelve compleja la materia?-¿Cómo ha sido la evolución hacia sistemas más complejos, incluyendo los organismos inteligentes?¿Qué otras formas de materia compleja pueden ser desarrolladas y creadas? Como ciencia de la estructura y transformación de la materia, la Química otorga medios para interrogar el pasado, explorar el presente y construir puentes hacia el futuro". Fin de la cita.

En este camino a recorrer, será necesario diseñar y obtener compuestos cada vez más complejos. Cuando la Química Supramolecular afronta sistemas mayores y más complejos, el esfuerzo sintético se expande y el tiempo y el dinero representan aspectos de importancia creciente.

En cualquier caso, urge que España fomente la investigación en Química Supramolecular o perderá una vez más el tren en un campo de investigación del que, desde que se asentó de un modo definitivo la denominación supramolecular, no han pasado más que veinticinco años. Apenas aparecen nombres de españoles en esta investigación y algunos de ellos se encuentran asentados en el extranjero. Así que como he vuelto al comienzo de mi exposición, excluída la anacrusa referida al LEGO, al demandar más esfuerzo social dirigido a la investigación, me he convertido en una máquina parlante cíclica que, Excmo. y Magfco. Sr. Rector, o detiene o no callará nunca.http://www.xornal.usc.es/opinion_amp.asp?p=10779

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