Sauvage: El precursor de les nanomàquines de Feynman, les màquines moleculars

Fa prop de seixanta anys, Richard Feynman va predir la futura arribada de les màquines moleculars, minúscules màquines amb propietats increïbles, les quals tot indica que seran claus en un futur no gaire llunyà.

Les visions de Feynman van trigar a fer-se realitat, i una de les persones clau a aconseguir-ho va ser Jean-Pierre Sauvage, qui va fer justament ahir 74 anys. Sauvage, juntament amb J. Fraser Stoddart i Bernard Feringa, va rebre el premi Nobel de química el 2016 pel desenvolupament de les màquines moleculars, i avui parlarem d'ell.

Quatre línies sobre la seva vida

Jean-Pierre Sauvage va néixer a París el 21 d'octubre de 1944, dos mesos després que París hagués estat alliberada pels aliats i l'exèrcit francès, tots dos liderats pel general Charles de Gaulle (del 19 al 25 d'agost de 1944). Des de l'adolescència li va agradar la química, fet que ho demostra que fins i tot en tenia un laboratori modest al celler de casa seva, on separava clorofil·la. Va fer els estudis universitaris a l'Escola d'Enginyeria Química d'Estrasburg. Es va diplomar en enginyeria el 1967 i va continuar els seus estudis de doctorat a la Universitat d'Estrasburg del 1967 al 1971 (el seu director de tesi va ser el premi Nobel de química del 1987, Jean-Marie Lehn). Va continuar treballant com a investigador del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) fins el 1979, del qual va ser director de recerca fins el 2009. Des d'aleshores és professor emèrit de la Universitat d'Estrasburg i director emèrit del CNRS.

Els treballs inicials 

Sauvage va fer gran part de la seva carrera juntament amb el seu director de tesi, Jean-Marie Lehncom. Entre les investigacions que van dur a terme m'ha semblat curiós destacar un estudi que estava relacionat amb la fotoquímica i l'energia solar, perquè aquest estudi es va fer quaranta-cinc anys abans que els estudis de temàtica semblants que es fan actualment. L'estudi es va enmmarcar en el context posterior a la primera crisi del petroli (1973), quan molts laboratoris van començar la cursa per trobar energies alternatives al petroli i cap a energies més sostenibles. L'energia solar era una opció òbvia i especialment atractiva. El projecte en qüestió va consistir a dividir la molècula d'aigua en H₂ i ½ O² per generar un combustible no contaminant, hidrogen (H), utilitzant energia fotònica.

Grup de recerca propi: les prediccions de Feynman tenien un nom, els catenans

Sauvage va fundar el seu propi grup de recerca el 1980. Poc després va establir una col·laboració amb David R. M. McMillin, fotoquímic i fotofísic ja establert, expert en la fotoquímica dels complexos de coure (I). McMillin va marcar el camí cap a un complex de coure (I) per a fotoquímica que contenia dos lligands orgànics entrellaçats que semblava que eren els precursors ideals per a un compost que comprenia dos anells enclavats al voltant d'un ió de coure (1+) central com si fossin dues cadenes entrellaçades. Això es coneix com a catenà. Va ser, doncs, molt temptador per a ells saltar de la fotoquímica inorgànica als compostos d'anells interconnectats que, a principis dels vuitanta, semblaven molècules pràcticament inaccessibles. Basats en aquests compostos i després de diverses discussions al seu grup de recerca, van decidir arriscar-se i iniciar un projecte totalment nou relacionat amb la síntesi de catenans.

A diferència dels enllaços químics ordinaris, les molècules en catenans estan enllaçades com una cadena, i els enllaços es poden moure relatius entre si, com si fossin dues peces d'un engranatge. Sovint, a aquest camp se l'ha anomenat topologia química, a causa del fet que els compostos tenen parts moleculars no planars. Dit d'una altra manera, contràriament a gairebé totes les molècules conegudes, és impossible dibuixar els catenans en un pla (és a dir, un full de paper), independentment de la deformació a la qual es pugui sotmetre la molècula.

El 1994, el grup de recerca de Jean-Pierre Sauvage també va aconseguir la producció d'un catenà en el qual un anell podia girar, d'una manera controlada, al voltant d'un altre anell quan se li aportava energia. Aquest fou el primer embrió de la primera màquina molecular no biològica.

Les màquines moleculars: les màquines més petites fabricades mai

"Quan arribem al món molt, molt petit... tenim moltes coses noves que representen oportunitats de disseny completament noves. "

Richard P. Feynman (1959)

Durant molt temps s'ha apreciat que els motors i les màquines moleculars es troben fonamentalment en gairebé tots els processos biològics. La recol·lecció d'energia del sol, l'emmagatzematge d'energia, el transport de càrregues al voltant de la cèl·lula, el moviment de les cèl·lules, la generació de força (tant a escala molecular com a escala macroscòpica), la replicació, la transcripció, la traducció, la síntesi, la conducció de sistemes químics lluny d'equilibri, etc. pràcticament totes les tasques biològiques impliquen màquines moleculars.

Una màquina molecular és un grup de components moleculars que poden produir moviments quasi mecànics quan s'exposa a estímuls específics. Els motors biològics converteixen l'energia química en moviment lineal o rotatiu, així és com controlen moltes funcions biològiques. Podem dividir les màquines moleculars en tres grans grups: les màquines híbrides naturals o biològiques, les sintètiques i les de síntesi natural.

“Consideri qualsevol màquina -per exemple, un automòbil- i pregunti’s sobre els problemes de fer una màquina infinitesimal com aquesta. La biologia té la resposta a aquesta pregunta."

Richard P. Feynman (1959)

Les màquines moleculars són molècules individuals que es comporten de manera molt semblant a les màquines que regeixen la nostra vida. Com aquestes, tenen moviments controlables i realitzen tasques gràcies a l'aportació d'energia. Alguns exemples són els petits elevadors que pugen i baixen gràcies a canvis en el pH o motors minúsculs que giren en una direcció quan s'exposen a la llum i a la calor. Els motors i les màquines moleculars són fonamentals per a gairebé tots els processos biològics. A causa de l'èxit de les màquines en la humanitat al món macroscòpic, des de la roda a l'edat de Pedra fins als telèfons intel·ligents actuals, era inevitable que un dia comencéssim a explorar l'últim camí cap a la miniaturització de les màquines. No obstant això, el camí no ha estat fàcil i hem necessitat temps i coneixement per obtenir el domini suficient en química sintètica i supramolecular i sobre la física relacionada perquè aquest camp comenci a florir. El seu impacte podria ser tan gran com el del microxip. Actualment, el desenvolupament d'aquestes màquines moleculars es troba en una etapa inicial, però el treball pioner de Sauvage, Stoddart i Feringa, pares de les màquines moleculars, tindrà un gran impacte en el futur. "La química ha fet els primers passos cap a un món nou", i “El temps ha demostrat clarament l'efecte revolucionari de la miniaturització de la tecnologia informàtica, mentre que solament hem vist les etapes inicials del que podria resultar de la miniaturització de les màquines“, va dir el comitè del premi Nobel en un comunicat després de concedir-los el premi Nobel de química el 2016 per les màquines moleculars.

Com anteriorment comentava, el camí de les màquines moleculars es va iniciar en el moment que va aconseguir unir dues molècules en forma d'anell per formar una cadena, a la qual va anomenar catenà. El fet diferencial era que aquesta molècula mostrava un enllaç mecànic que li permet tenir més llibertat de moviment, a diferència de l'enllaç covalent que li correspon en el qual els àtoms comparteixen electrons i no permeten aquesta llibertat de moviment. Perquè una màquina pugui realitzar una tasca, aquesta ha de consistir en parts que puguin moure's una respecte de l'altra. Els dos anells entrellaçats compleixen exactament aquest requisit.

L'evolució la va continuar el 1991 Fraser Stoddart, químic escocès, quan va ser capaç d'inserir un anell molecular i li va conferir moviment a través d'un prim eix molecular. A aquesta molècula la va denominar rotaxà. Amb aquest tipus de molècules va ser capaç de crear un múscul molecular o un xip d'ordinador basat en molècules. Després d'aquests passos previs, el primer investigador que realment va ser capaç de desenvolupar un motor molecular va ser el químic holandès Bernard Feringa el 1999. Feringa va obtenir una pala de rotor molecular que girava de manera contínua en la mateixa direcció. Mitjançant aquests motors moleculars, ha estat capaç de rotar un cilindre de vidre, 10.000 vegades més gran que el motor, i al seu torn, ha estat capaç de dissenyar un nanocotxe.

"Pensem en petits robots que un metge injectarà en els seus vasos sanguinis i després aniran a la caça d'una cèl·lula cancerosa."

Ben Feringa

Tal com remarcava el comitè que va lliurar el Nobel de química el 2016, gràcies a les màquines moleculars "En termes de desenvolupament, el motor molecular està en la mateixa etapa que en la qual es trobava el motor elèctric en la dècada de 1830, quan els científics van mostrar diverses bieles i rodes giratòries, sense saber que conduirien a motors que s'utilitzarien en rentadores, ventiladors, processadors d'aliments [....]". En un futur no gaire llunyà, les màquines moleculars podran operar dins del cos humà. Els investigadors esperen que algun dia aquestes minimàquines puguin enviar medicaments dins del cos humà directament a les cèl·lules canceroses o dirigir-se a una àrea específica de teixit per tractar-hi certes malalties. Així, per exemple, quan es perfeccioni aquest mètode s'haurien de reduir en gran manera els danys que produeix la quimioteràpia sobre les cèl·lules sanes del pacient. També podran detectar una malaltia abans que es mostri algun símptoma. Això significa que les màquines moleculars, a més de destruir cèl·lules canceroses o transportar molècules per raons mèdiques, podran ser la base del disseny d'una computadora molecular col·locada dins del cos per detectar malalties abans que es manifestin. També tindran altres usos com, per exemple, en electrònica, nous materials, etc. En altres paraules, el desenvolupament de les màquines moleculars serà per a sectors de la salut, l'energia i la indústria, i suposarà un impacte irreversible en les futures generacions.

Més informació

Lab: https://isis.unistra.fr/laboratory-of-inorganic-chemistry-jean-pierre-sauvage/

Autobiografia: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2016/sauvage/auto-biography/

Entrevista: https://www.20minutos.es/noticia/3361793/0/entrevista-sauvage-premio-nobel-quimica/