.
Os motores moleculares rotativos foram criados pela primeira vez em 1999, no laboratório de Ben Feringa, professor de química orgânica da Universidade de Groningen. Esses motores são acionados pela luz. Por muitas razões, seria bom poder tornar visíveis essas moléculas motoras. A melhor maneira de fazer isso é torná-los fluorescentes. No entanto, combinar duas funções mediadas pela luz em uma única molécula é bastante desafiador. O laboratório Feringa agora conseguiu fazer exatamente isso, de duas maneiras diferentes. Esses dois tipos de motores rotativos acionados por luz fluorescente foram descritos em Comunicações da Natureza (30 de setembro) e Avanços da ciência (4 de novembro).
‘Após o projeto bem-sucedido de motores moleculares nas últimas décadas, um próximo objetivo importante foi controlar várias funções e propriedades usando esses motores’, explica Feringa, que compartilhou o Prêmio Nobel de Química em 2016. ‘Como eles são movidos a luz motores rotativos, é particularmente desafiador projetar um sistema que tenha outra função controlada pela energia da luz, além do movimento rotativo.’
Único
Feringa e sua equipe estavam particularmente interessados em fluorescência, uma vez que esta é uma técnica primordial que é amplamente utilizada para detecção, por exemplo, em imagens biomédicas. Normalmente, dois desses eventos fotoquímicos são incompatíveis na mesma molécula; ou o motor acionado por luz funciona e não há fluorescência ou há fluorescência e o motor não funciona. Feringa: ‘Nós já demonstramos que ambas as funções podem existir em paralelo no mesmo sistema molecular, o que é bastante único.’
Ryojun Toyoda, pesquisador de pós-doutorado do grupo Feringa, que agora ocupa um cargo de professor na Universidade de Tohoku, no Japão, adicionou um corante fluorescente a um motor rotativo Feringa clássico. “O truque era evitar que essas duas funcionalidades bloqueassem uma à outra”, diz Toyoda. Ele conseguiu extinguir as interações diretas entre o corante e o motor. Isso foi feito posicionando o corante perpendicularmente à parte superior do motor ao qual estava conectado. “Isso limita a interação”, explica Toyoda.
Cores diferentes
Desta forma, a fluorescência e a função rotativa do motor podem coexistir. Além disso, descobriu-se que mudar o solvente permite que ele ajuste o sistema: ‘Ao variar a polaridade do solvente, o equilíbrio entre as duas funções pode ser alterado.’ Isso significa que o motor se tornou sensível ao seu ambiente, o que pode indicar o caminho para futuras aplicações.
A coautora Shirin Faraji, professora de Química Teórica da Universidade de Groningen, ajudou a explicar como isso acontece. Kiana Moghaddam, uma pós-doc em seu grupo, realizou extensos cálculos de mecânica quântica e demonstrou como a energia chave que governa a dinâmica foto-excitada depende fortemente da polaridade do solvente.
Outra propriedade útil desta molécula motora fluorescente é que diferentes corantes podem ser ligados a ela, desde que tenham uma estrutura semelhante. “Então, é relativamente fácil criar motores que brilham em cores diferentes”, diz Toyoda.
Antena
Um segundo motor fluorescente foi construído por Lukas Pfeifer, também enquanto pesquisador de pós-doutorado no grupo Feringa. Desde então, ele ingressou na École Polytechnique Fédérale em Lausanne, Suíça: ‘Minha solução foi baseada em uma molécula motora que eu já havia feito, que é impulsionada por dois fótons de infravermelho próximo de baixa energia.’ Motores que são alimentados por luz infravermelha são úteis em sistemas biológicos, pois essa luz penetra mais profundamente no tecido do que a luz visível e é menos prejudicial ao tecido do que a luz UV.
“Adicionei uma antena à molécula do motor que coleta a energia de dois fótons infravermelhos e a transfere para o motor. Enquanto trabalhamos nisso, descobrimos que, com algumas modificações, a antena também poderia causar fluorescência”, diz Pfeifer. Descobriu-se que a molécula pode ter dois estados excitados diferentes: em um estado, a energia é transferida para a parte motora e impulsiona a rotação, enquanto o outro estado faz com que a molécula fluoresça.
Poder
“No caso deste segundo motor, toda a molécula fluoresce”, explica o professor Maxim Pshenichnikov, que realizou a análise espectroscópica de ambos os tipos de motor fluorescente e que é co-autor de ambos os artigos. ‘Este motor é uma entidade química na qual a função de onda não está localizada e, dependendo do nível de energia, pode ter dois efeitos diferentes. Ao alterar o comprimento de onda da luz e, portanto, a energia que a molécula recebe, você obtém rotação ou fluorescência.’ Faraji acrescenta: ‘Nossa sinergia em princípio e na prática abordagem destaca a interação entre estudos teóricos e experimentais, e ilustra o poder de tais esforços combinados.’
Agora que a equipe combinou movimento e fluorescência na mesma molécula, o próximo passo seria mostrar a motilidade e detectar a localização da molécula simultaneamente traçando a fluorescência. Feringa: ‘Isso é muito poderoso e podemos aplicá-lo para mostrar como esses motores podem atravessar uma membrana celular ou se mover dentro de uma célula, pois a fluorescência é uma técnica amplamente usada para mostrar onde as moléculas estão nas células. Também poderíamos usá-lo para rastrear o movimento induzido pelo motor movido a luz, por exemplo, em uma trajetória em nanoescala ou talvez rastrear o transporte induzido pelo motor em nanoescala. Tudo isso faz parte da pesquisa de acompanhamento.’
.
