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CNR: Alamanacco della Scienza

N. 1 - 13 gen 2021
ISSN 2037-4801

Focus - Macchine  

Salute

Macchine molecolari: minuscole ma promettenti

“Oltre alla chimica dei legami forti, che unisce gli atomi in molecole, c'è la chimica delle interazioni deboli, quella in cui l'unione fa la forza […]. Questa chimica, che possiamo chiamare supramolecolare, dà luogo ad una sorta di sociologia molecolare. Le interazioni fra molecole ne definiscono il carattere interspecifico, l'azione e la reazione, la stabilità di un sistema organizzato e le affinità elettive, ovvero il comportamento degli individui e delle popolazioni molecolari”. Jean-Marie Lehn definiva così la chimica supramolecolare nel suo discorso alla cerimonia del Nobel per la chimica, vinto nel 1987 assieme a Donald James Cram e Charles John Pedersen.Una disciplina che studia le entità molecolari organizzate in architetture più complesse. Dai complessi abiotici, in grado di eseguire le stesse funzioni di riconoscimento e attivazione molecolare dei sistemi biochimici (gli enzimi, ad esempio), la chimica supramolecolare si è evoluta verso lo sviluppo delle cosiddette “macchine molecolari”. Chimici quali Vincenzo Balzani, Jean-Pierre Sauvage, Bernard L. Feringa e James F. Stoddart sono stati tra i primi a concepire e sintetizzare sistemi su scala molecolare in grado di svolgere, in seguito a un input, compiti complessi come movimenti meccanici.

Ma quali sono le classi di molecole che, una volta organizzate, agiscono come macchine molecolari? Come avviene il loro movimento a livello molecolare? “Un sistema è costituito dai catenani, ove due macrocicli si dispongono come maglie in una catena: ciascuna entità è confinata meccanicamente alla sua compagna, quindi non può muoversi nello spazio liberamente, ma è vincolata alla rotazione attorno alla molecola partner”, spiega Nicola Armaroli dell'Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività (Isof) del Cnr. La sintesi dei catenani era già nota negli anni '50, ma solo a partire dagli anni '80 è stato possibile ottenere questi composti con rese elevate e topologie complesse, ad esempio legando tre o più anelli o formando strutture a nodo di trifoglio o di Salomone. “Una sintesi molto efficace, sviluppata da Sauvage, prevede l'utilizzo di ioni metallici come il rame che servono da templanti, cioè vincolano due frammenti molecolari attraverso un legame di coordinazione, generando il primo nucleo della struttura del catenano, che viene poi chiuso in un successivo passaggio”, prosegue il ricercatore del Cnr-Isof. “I rotaxani, invece, sono costituiti da un macrociclo attorno a una molecola lineare assiale che contiene due gruppi funzionali detti stopper agli estremi, ingombranti a sufficienza da non permettere al macrociclo di uscire dal filo molecolare”.

Possiamo, ad esempio, visualizzare il movimento nei rotaxani come uno “shuttle” che si muove avanti e indietro lungo un filo, passando da una stazione A a una B e viceversa, un'analogia descritta nell'articolo pubblicato nel 1991 “A Molecular Shuttle”. Il movimento si attiva fornendo energia al sistema: lo shuttle, una molecola elettron-deficiente, si muove già a temperatura ambiente avanti e indietro verso le due stazioni, che sono ricche di elettroni, e l'interazione non covalente stazione-shuttle è la forza trainante del processo. “I movimenti nelle macchine molecolari possono essere stimolati da un input chimico, come la variazione del pH, elettrochimico o fotochimico. Il pioniere dei movimenti molecolari indotti dalla luce è Vincenzo Balzani, che ha dato un contributo fondamentale alle ricerche di Sauvage e Stoddart”, aggiunge Armaroli.

Nell'articolo “Autonomous artificial nanomotor powered by sunlight”, pubblicato su PNAS nel 2006, Balzani, Stoddart e co-autori descrivono uno shuttle molecolare che si muove per effetto dell'assorbimento di luce. Un elegante esempio di attivazione chimica è riportato su “A molecular elevator”, pubblicato su Science nel 2004 dagli stessi autori: un “ascensore” molecolare, alto circa 2.5 nanometri (nm) e di diametro pari a circa 3.5, in grado di percorrere una distanza di 0.7 nm e di generare una forza stimata di circa 200 pN (picoNewton) quando scende dal livello superiore al livello inferiore. Come funziona l'ascensore molecolare? Una piattaforma, costituita da tre macrocicli fusi attorno a una molecola centrale, scorre lungo i 3 rami di una molecola con forma a “tripode”. Su ciascun ramo ci sono due “stazioni” chimicamente diverse e la piattaforma può fermarsi sull'una o sull'altra a seconda del pH della soluzione.

Non siamo ancora arrivati a sfruttare il potenziale offerto dalle macchine molecolari, ma siamo in grado di progettarle e farle operare in condizioni simili a quelle ambientali, aprendo le porte al cosiddetto “energy harvesting”, lo sfruttamento delle fonti energetiche presenti nell'ambiente circostante in forma “dispersa”. “Oggi, le macchine molecolari artificiali restano essenzialmente una curiosità scientifica, ma il loro potenziale applicativo è enorme. In futuro saranno utilizzate per costruire materiali le cui proprietà si adattano alle condizioni esterne, plastiche capaci di piegarsi a comando, memorie e processori ultraminiaturizzati, sonde nanometriche in grado di diagnosticare malattie, farmaci intelligenti che si attivano soltanto nel posto giusto al momento giusto “, conclude Armaroli.

Alessia Famengo

Fonte: Nicola Armaroli , Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività, email nicola.armaroli@isof.cnr.it