O professor Ben L. Feringa ganhou o Prêmio Nobel de Química em 2016, juntamente com os professores Jean-Pierre Sauvage e J. Fraser Stoddart, pelo projeto e síntese de máquinas moleculares.

As pequenas “máquinas”, na natureza e no laboratório

Você sabia que, a todo momento, inúmeras “máquinas” moleculares operam em seu corpo? Essas máquinas são responsáveis ​​pela sua capacidade de se mover, enxergar e produzir a energia necessária para o funcionamento das suas células. Nos seus olhos, por exemplo, existem milhões de minúsculos “interruptores” moleculares, que são moléculas minúsculas capazes de se alternar entre estados como resposta a um estímulo. Os interruptores mais simples têm dois estados, “ligado” e “desligado”, muito parecidos com os interruptores de luz da sua casa. Esses interruptores nos seus olhos respondem à luz.  (Figura 1).

Quando a luz atinge esses minúsculos interruptores, eles se ligam e enviam um sinal elétrico ao cérebro, permitindo que vejamos uns aos outros e o mundo ao nosso redor.

Desde pequeno, sempre me inspirei na beleza da Mãe Natureza. Eu gostava de observar a natureza, aprender com ela e usar esse conhecimento para criar coisas novas e úteis. Enquanto estava na universidade, tive a sorte de criar minha primeira molécula em laboratório! Saber que havia criado uma molécula que nunca existiu antes foi uma sensação emocionante. Comecei a me interessar em usar meu conhecimento de química para criar moléculas sintéticas que imitassem as máquinas biológicas criadas pela natureza. Isso me levou a uma longa jornada de exploração, que acabou me levando à montagem do menor carro já construído.

Construindo Moléculas em Laboratório

No meu laboratório na Holanda, construímos moléculas minúsculas e estudamos suas propriedades. O tamanho dessas moléculas é difícil de imaginar. Se você aproximar dois dedos o máximo possível diante dos seus olhos, até ver apenas uma pequena lasca de luz entre eles, essa distância vai equivaler a 1 milímetro. As moléculas que construímos têm apenas nanômetros (nm) de tamanho, e 1 nm é 1 milhão de vezes menor do que o espaço entre os seus dedos!

Construir moléculas é como erguer um lindo castelo com blocos de Lego®. Pegamos as menores moléculas, realizamos reações químicas para remover ou adicionar certas partes a elas e, em seguida, usamos outras reações para unir as moléculas e construir moléculas maiores. Em essência, estamos quebrando e criando ligações entre os átomos que compõem as moléculas. Ao “brincar” com esses blocos de construção molecular, podemos criar novas moléculas que nunca existiram antes.

Frequentemente, queremos criar moléculas para usos específicos, como cores bonitas para pintar carros ou medicamentos eficazes para tratar doenças. Geralmente, usamos computadores para nos ajudar a descobrir quais átomos e reações devemos usar para projetar novas moléculas. Mesmo com a ajuda de computadores, ainda é muito difícil prever as propriedades das novas moléculas que criamos, e essas moléculas muitas vezes não possuem exatamente as propriedades que desejamos. Às vezes, esse “erro” se torna, na verdade, algo positivo, pois nos ajuda a descobrir propriedades que não havíamos imaginado. Outras vezes, precisamos continuar alterando os ingredientes moleculares até que finalmente criemos as propriedades desejadas.

Depois de criar novas moléculas, nós as medimos e aprendemos tudo sobre como elas se comportam, tanto como moléculas individuais quanto quando há muitas delas juntas (pense nisso como estudar uma colher cheia de moléculas de açúcar, bem como uma molécula de açúcar individual). Possuímos equipamentos de laboratório avançados para nos ajudar a estudar a estrutura e o comportamento das moléculas, incluindo um microscópio muito poderoso chamado microscópio de tunelamento de varredura (STM na sigla em inglês). É um microscópio contendo uma pequena ponta que escaneia moléculas e nos ajuda a estudar sua estrutura e comportamento. O STM contém um tipo de agulha com uma pequena ponta do tamanho de apenas um átomo. Você consegue imaginar?

Usando o STM e outros equipamentos avançados, podemos determinar se nossas moléculas têm as formas tridimensionais que esperávamos, bem como as propriedades desejadas (por exemplo, a cor certa, rigidez ou viscosidade). Às vezes, precisamos de muitas tentativas, mas podemos eventualmente criar as moléculas certas com as propriedades certas.

Moléculas que se movem: de Interruptores a motores e carros

No meu laboratório, estamos particularmente interessados ​​em moléculas que se movem, como as máquinas moleculares do corpo. Amamos tanto o movimento que estamos até tentando criar versões móveis de materiais que normalmente não se movem, como plástico e vidro. Não seria incrível se o vidro da janela do seu quarto ou o carro da sua família pudessem se limpar sozinhos?

 Um tipo simples de movimento molecular envolve alternar entre dois estados, como os interruptores moleculares nos olhos. Para criar esse tipo de movimento, projetamos moléculas com uma parte superior que pode ser “invertida” usando a luz [1]. Pense nisso como alternar entre um estado “destro” e um estado “canhoto” (Figura 2). Uma cor de luz alterna o estado “destro” para o estado “canhoto”, e outra cor de luz alterna o estado “canhoto” de volta para o estado “destro”. Este tipo de molécula pode ser usado, por exemplo, para armazenar informações digitais em computadores (como você deve saber, as informações são armazenadas em computadores em unidades básicas representadas pelos números “1” e “0”.

Normalmente, os 1s e 0s são implementados como voltagens diferentes em um componente feito de silício chamado transistor. A mesma ideia de ter dois estados distintos, “1” e “0”, poderia ser implementada usando chaves moleculares com dois estados).

Uma vez que conseguimos construir interruptores moleculares que se movem entre dois estados, queríamos avançar para um tipo mais complexo de movimento: um motor rotativo, uma máquina rotativa que cria movimento mecânico. Motores rotativos são comumente usados ​​em veículos, incluindo carros e aviões. Um motor rotativo é uma máquina que absorve algum tipo de combustível e gira em uma direção para produzir um produto desejado. Em nossas células, temos pequenos motores rotativos que criam ATP — a molécula de energia que alimenta as células. Inspirados por esse motor rotativo natural, tentamos criar um motor rotativo sintético que absorve luz (de uma lâmpada ou do sol) e gira continuamente em uma direção, como o pneu de um carro em movimento.

Essa tarefa foi desafiadora porque é muito difícil controlar a direção em que as moléculas se movem: elas tendem a se mover loucamente em todas as direções. Portanto, foi um desafio tornar o movimento contínuo e suave.

Para alcançar esse tipo de movimento, tivemos que construir a estrutura tridimensional das moléculas com muita precisão. Assim como o motor de um carro, nosso motor molecular precisava incluir um eixo e uma parte giratória que gira em torno do eixo. Após muitas tentativas e erros, conseguimos construir uma molécula que gira 360° em quatro etapas de 90° cada [2] (veja este vídeo). A primeira e a terceira etapas requerem luz, que quebra uma ligação específica na molécula que permite que a parte giratória gire em torno do eixo. A segunda e a quarta etapas ocorrem espontaneamente sem luz, quando a molécula “relaxa” de um estado de alta energia para um estado de menor energia.

Nossa molécula original de motor rotativo tinha pouco menos de 1 nm de tamanho e girava uma vez a cada hora. Mudando sua forma e propriedades de ligação de várias maneiras, finalmente alcançamos velocidades de até 10 milhões de rotações por segundo! Enquanto experimentávamos esses motores moleculares, meus alunos levantaram uma questão desafiadora: poderíamos transformar seu movimento rotacional em movimento para frente, como em um carro?

Fiquei entusiasmado com a ideia e disse aos meus alunos que deveríamos construir um veículo com tração nas quatro rodas [3]. Quatro motores moleculares serviriam como nossas quatro rodas, e precisávamos descobrir como conectá-los à estrutura do carro (chamada chassi). Para isso, primeiro construímos metade do chassi e conectamos duas rodas a ela; em seguida, construímos a segunda metade do chassi e conectamos duas rodas a essa metade. Por fim, conectamos as duas metades para obter o carro completo. Mais importante ainda, precisávamos garantir que nossas “rodas” girassem na direção correta. Por fim, com todo esse trabalho árduo, criamos o menor nanocarro do mundo (veja este vídeo)!

Após superarmos esse desafio, criamos uma “linha de montagem” para nanocarros, que poderíamos usar para construir nanocarros de vários tamanhos e que se movessem em diferentes velocidades.

Carros Autolimpantes e Medicamentos Inteligentes

Agora que temos interruptores moleculares, motores e carros, o que podemos fazer com eles? Em geral, as máquinas moleculares nos permitem projetar materiais que podem alterar sua estrutura e função em resposta a certos gatilhos [4]. Por exemplo, materiais autolimpantes ou autorreparáveis ​​poderiam, por meio de seus movimentos internos, remover poeira de si mesmos ou reparar rachaduras ou outros danos. Imagine esses materiais sendo usados ​​para construir um carro que nunca precisaria ser lavado e consertaria arranhões e raspões em suas portas de forma autônoma! As mesmas capacidades poderiam ser muito úteis em outras situações, como painéis solares autolimpantes ou telas de smartphones autorreparáveis, por exemplo.

Também podemos usar materiais responsivos para aprimorar medicamentos e criar o que chamamos de medicamentos inteligentes [5]. Ao contrário dos medicamentos normais, que são distribuídos por todo o corpo e agem em todos os lugares, os medicamentos inteligentes podem ser ativados apenas quando e onde queremos que atuem. Interruptores moleculares podem ser acoplados aos medicamentos, de modo que possamos ligá-los apenas quando iluminarmos o corpo com luz.

Usando esse método, podemos prevenir efeitos indesejados dos medicamentos no corpo e no ambiente. Por exemplo, antibióticos com essa propriedade podem ajudar a prevenir a resistência a antibióticos, que é um problema sério. Também podemos imaginar pequenos carros moleculares que circulam pelo corpo e ajudam a mantê-lo saudável, por exemplo, levando medicamentos específicos para áreas específicas onde são necessários (Figura 3).

Quando os irmãos Wright realizaram seu primeiro voo histórico em 1903, creio que ninguém previu que, apenas 100 anos depois, milhões de pessoas estariam voando por todo o mundo. Embora os aviões que usamos hoje sejam muito mais sofisticados do que o primeiro avião inventado pelos irmãos Wright, eles ainda são construídos com base nos mesmos princípios. Imagino o mesmo para o campo das máquinas moleculares — no futuro, nossas primeiras ideias serão desenvolvidas e utilizadas em muitas tecnologias com as quais atualmente nem sequer sonhamos.

Parte do nosso trabalho como químicos é ser criativos, construir nosso próprio mundo molecular e inventar coisas que nunca existiram antes. O processo de descoberta costuma ser desafiador, pois caminhamos por território desconhecido. Com o tempo, aprendi a manter a confiança mesmo quando meu progresso científico é árduo, sabendo que a luta pode levar a algo espetacular. Sei que cada um de vocês também possui talentos fantásticos e espero que os apreciem. Sigam seus sonhos e tenham fé em sua capacidade de realizá-los.

Glossário

Interruptores Moleculares: Moléculas minúsculas que alternam entre estados em resposta a um estímulo. Os interruptores mais simples têm dois estados, “ligado” e “desligado”, muito parecidos com os interruptores de luz da sua casa.

Sintéticos: Fabricados por humanos (não pela natureza), geralmente em laboratório.

Microscópio de Tunelamento de Varredura (STM): Um microscópio com uma ponta minúscula que escaneia moléculas e nos ajuda a estudar sua estrutura e comportamento.

Motor Rotativo: Uma máquina rotativa que cria movimento mecânico. Motores rotativos são comumente usados ​​em veículos, incluindo carros e aviões.

Referências

[1] Feringa, B. L., Van Delden, R. A., Koumura, N., e Geertsema, E. M. 2000. Chiroptical molecular switches. Chem. Rev. 100:1789–816. doi: 10.1021/cr9900228

[2] Koumura, N., Zijlstra, R. W., van Delden, R. A., Harada, N., e Feringa, B. L. 1999. Light-driven monodirectional molecular rotor. Nature 401:152–5. doi: 10.1038/43646

[3] Kudernac, T., Ruangsupapichat, N., Parschau, M., Maciá, B., Katsonis, N., Harutyunyan, S. R., et al. 2011. Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface. Nature 479:208–11. doi: 10.1038/nature10587

[4] Feringa, B. L. 2020. Vision statement: materials in motion. Adv. Mater. 32:1906416. doi: 10.1002/adma.201906416

[5] Wegener, M., Hansen, M. J., Driessen, A. J., Szymanski, W., e Feringa, B. L. 2017. Photocontrol of antibacterial activity: shifting from UV to red light activation. J. Am. Chem. Soc. 139:17979–86. doi: 10.1021/jacs.7b09281

Citação

Feringa BL (2024) Moving the World’s Tiniest Car With Molecular Machines. Front. Young Minds. 12:1275644. doi: 10.3389/frym.2023.1275644

 

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