Cosa sono le macchine molecolari? Sintesi e movimenti dei meccanismi dei motori più piccoli che si possano immaginare

di Giuseppe Alonci

<< L’Accademia Reale Svedese delle Scienze ha deciso di assegnare a Jean-Pierre Sauvage, Sir James Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa il Premio Nobel per la Chimica 2016 per il “progetto e la sintesi di macchine molecolari”>>.

Giuseppe Alonci di Chimicare intervista il Nobel per la Chimica JP Sauvage

Giuseppe Alonci di Chimicare intervista il Nobel per la Chimica JP Sauvage

Così si apre il documento con il quale viene presentato al grande pubblico il background scientifico che accompagna il premio Nobel per la Chimica 2016, che non solo riconosce il valore di un filone di ricerca estremamente prolifico e appassionante, ma anche il valore della ricerca di base nelle scienze chimiche, come lo stesso Jean-Pierre Sauvage ha voluto fortemente sottolineare nella videointervista che ha rilasciato in esclusiva per Chimicare. Dopo quindi una breve introduzione, che ci permetterà di avere una visione generale dell’argomento, passeremo in rassegna alcuni semplici strumenti chimici e matematici che ci serviranno per comprendere appieno l’importanza di questo lavoro.

Che cosa è una macchina molecolare? Come dice il nome stesso, è un dispositivo, come una ruota o un ingranaggio, costruito manipolando opportunamente un certo numero di molecole, capace di compiere gli stessi movimenti di una macchina macroscopica in risposta ad uno stimolo esterno. Anche la macchina più semplice è costituita da una serie di pezzi che sono capaci di muoversi relativamente gli uni agli altri, in maniera precisa e riproducibile nel tempo. È necessario quindi sintetizzare delle molecole che possano legarsi tra di loro ma che possano ancora compiere dei movimenti, come le ruote in una automobile. Questo tipo di legame è molto difficile da ricreare in ambito molecolare. Quello che succede normalmente è che gli atomi si connettono tra di loro attraverso legami chimici covalenti, che possiamo approssimare come una serie di molle. In certe condizioni, le molecole possono interagire tra di loro attraverso dei legami più deboli (per approfondimenti vedasi articolo “Che cos’è un legame chimico?“), ma in ogni caso le due parti saranno legate tra di loro in modo più simile a due tasselli di un puzzle che ad un macchinario. La prima difficoltà che si incontra quando si vuole costruire una macchina molecolare è quindi legata al fatto che è necessario trovare il modo di legare le molecole tra di loro in un modo completamente nuovo, attraverso un legame di tipo meccanico più che chimico: una giunzione meccanica molecolare.

rappresentazione schematiche di un nanoascensore molecolare

rappresentazione schematica di un nanoascensore molecolare

Una seconda sfida riguarda il “carburante” per queste macchine. Nei macchinari che utilizziamo tutti i giorni l’input di energia è normalmente di tipo elettrico, meccanico o termico. Le ruote della bicicletta si muovono perché c’è qualcuno sopra che pedala, un orologio funziona perché ci sono molle o batterie e una automobile cammina perché sfrutta l’energia termica prodotta dalla combustione del carburante. Allo stesso modo anche le macchine molecolari per produrre un movimento hanno bisogno di un input di energia. Un requisito essenziale è che quindi le molecole che costituiscono la nostra impalcatura siano capaci non solo di legarsi tra di loro in maniera completamente nuova, ma che possano anche in qualche modo ricevere degli stimoli, rispondere in maniera riproducibile a questi stimoli e sfruttare una fonte di energia per continuare il loro movimento.
Un terzo aspetto fondamentale è che questo movimento deve essere controllabile. Le ruote dell’automobile non girano in maniera casuale, ma in maniera perfettamente ordinata. Far muovere casualmente le molecole è una sfida tutt’altro che difficile, dato che ogni molecola già normalmente si muove, ruota su sé stessa, si espande, si contrae e così via. Anche se noi non ce ne rendiamo conto, il mondo molecolare è in continuo fermento! Ma come possiamo fare in modo da rendere questo movimento ordinato?

 

Un Nobel… topologico!

Abbiamo detto che una delle caratteristiche di una macchina molecolare dovrebbe essere quella di essere composta da parti che siano interconnesse tra di loro ma ancora in grado di muoversi relativamente le une alle altre. Abbiamo portato l’esempio della ruota della macchina, che è libera di rotolare ma comunque è vincolata alla automobile. Il modo più semplice per ottenere un legame di tipo “meccanico” tra due molecole, invece che chimico, è quello di costruire un sistema formato da due molecole cicliche intrecciate come gli anelli di una catena.
Immaginate di avere una coppia di braccialetti di perla. Ognuno dei braccialetti è costituito da varie perle – che nel nostro paragone costituiscono gli atomi – unite assieme da un filo: i legami covalenti. I due braccialetti sono completamente indipendenti: uno può rimanere a casa mentre l’altro ve lo potrete portare a Stoccolma mentre ritirate il vostro premio Nobel. Niente di speciale: i chimici sono abilissimi a costruire anelli e bracciali di tutte le forme e dimensioni da molti decenni.
Una volta tornati a casa volete però essere sicuri che i due braccialetti restino sempre assieme, quindi decidete di aprire il primo, farlo passare dentro il secondo e quindi richiuderlo. I due braccialetti sono ora interconnessi come gli anelli di una catena. Si tratta però di una connessione molto diversa rispetto quella che c’è tra una perla e l’altra!

esempio di catenano a due anelli intrecciati

esempio di catenano a due anelli intrecciati

Fare la stessa cosa con le molecole è purtroppo estremamente complesso. I primi tentativi di ottenere dei catenani, sono iniziati già negli anni ’50 e ’60, ma i risultati sono stati abbastanza deludenti. Le procedure erano molto lunghe e laboriose e i prodotti finali erano recuperati in piccolissima quantità, comportando uno spreco enorme di reagenti – che formavano anche una moltitudine di prodotti indesiderati – e di tempo per la purificazione del prodotto desiderato dalla “zuppa” di molecole ottenuta. Tutto questo finché il prof. Sauvage – che era stato anche allievo di Jean-Marie Lehn, premio Nobel per la chimica nel 1987 e con il quale sono oggi “vicini di piano” all’Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaire – non riuscì a trovare una strategia molto efficiente per risolvere il problema.
Prima di approfondire l’aspetto chimico, proviamo a capire meglio quali sono le proprietà “matematiche” di questa nuova di classe di molecole. Non vi preoccupate: non ci saranno numeri o equazioni! Ci avventureremo brevemente nel mondo della topologia, la branca della matematica che si occupa di studiare le proprietà degli oggetti geometrici che sono invarianti per trasformazioni continue. Detto così sembra complesso, ma in realtà è abbastanza semplice.

trasformazione topologicamente omeomorfa si una tazza con manico

trasformazione topologicamente omeomorfa di una tazza con manico

Una trasformazione continua è una trasformazione che non richiede tagli, cuciture, fori, strappi o incollature. Avete presente quando piegate un foglio di carta per creare un origami (o un aeroplanino di carta)? Ecco, quella è una trasformazione continua. Viceversa se dal foglio di carta ritagliamo un cuore allora abbiamo eseguito una trasformazione discontinua. Questo vuole dire che dal punto di vista topologico non c’è nessuna differenza tra un foglio di carta e un aeroplanino di carta (finché non fate strappi, tagli o incollature almeno). Anche un vaso senza manici, una scodella e un piatto sono tutti topologicamente identici. Basta far finta che siano di gomma e con un po’ di fantasia vedrete che è possibile trasformarli gli uni negli altri. Lo stesso vale per la maggior parte delle molecole. Anche se hanno geometrie molto diverse e sono formate da atomi in numero e tipo diverso, è quasi sempre possibile “appiattirle” tutte in un piano. Questo non vuol dire che sia una cosa fisicamente possibile: è solo un esperimento mentale per renderci conto che topologicamente hanno le stesse proprietà. Volendo essere precisi queste trasformazioni sono omeomorfe. Questo vuole dire che non solo posso trasformare il foglio in aeroplanino, ma dall’aeroplanino posso tornare indietro al foglio. Una funzione omeomorfa è una funziona che non solo è continua (trasforma il foglio in aeroplano senza tagli), ma la cui inversa è anch’essa continua (posso tornare indietro al foglio senza altri tagli).
Cosa succede invece se esaminiamo il caso di una tazza senza manico e di una tazza con il manico? O se esaminiamo un bombolone, una ciambella e un pretzel? In questo caso parliamo di oggetti che sono diversi anche dal punto di vista topologico. Se prendete la tazza o il bombolone e fate finta che siano di gomma, vi renderete conto come non potrete in alcun modo riuscire a crearci un manico o un foro tramite una trasformazione continua. Potete impastare quanto volete, ma la vostra ciambella sarà sempre senza buco se ottenuta dal bombolone! Allo stesso modo non potete passare da una ciambella (un toroide, volendo essere precisi) a un pretzel senza lacerarla in qualche modo. Notate invece come scodella/bombolone, tazza con manico/ciambella e tazza con due manici/pretzel siano equivalenti a due a due.

forme topologiche di noti dolci: bombolone, ciambella e pretzel

forme topologiche di noti dolci: bombolone, ciambella e pretzel

Altri oggetti interessanti sono i nodi. Avete presente il nodo delle scarpe? Ecco, dimenticatelo, perché non è un vero nodo! Basta infatti che tirate una estremità e immediatamente si scioglierà. Un “nodo” marinaro potrebbe richiedere più tempo per essere sciolto, ma è comunque possibile farlo senza dover ricorrere alle forbici. Il nodo delle vostre scarpe è quindi topologicamente uguale a una linea, e quindi a un piano. Un vero nodo non può essere sciolto senza essere tagliato (chiedere di Alessandro Magno se necessario). Immaginiamo di prendere uno dei nostri bracciali, aprirlo, annodarlo e poi connettere tra di loro le due estremità. Questo è un vero nodo, dato che non può essere sciolto senza doverlo sganciare. Il nodo più semplice (o nodo banale) è un semplice cerchio. Nodi più complessi sono invece il nodo trifoglio e il nodo di Salomone.diversi tipi di nodi

Ottenere molecole che dal punto di vista topologico siano diversa da un piano non è facile per nulla, ma è molto importante perché nodi e strutture topologicamente complesse sono onnipresenti nel mondo naturale. Basti pensare al DNA. L’immagine classica del DNA, cioè di una doppia elica che sale dritta come una scala, è molto semplicistica. Innanzi tutto esistono DNA con più eliche, ma sono casi poco comuni. In tutti i casi però il DNA è in realtà attorcigliato su sé stesso e attorno a particolari proteine dette istoni, e inoltre nel caso dei batteri può anche essere ritrovato come DNA circolare, sotto forma di plasmide. Il modo in cui il DNA è ripiegato o annodato influenza inoltre l’attività di certi enzimi e l’attività di ricerca in questo ambito è vastissima.

 

Sintesi a stampo

Torniamo al nostro esempio precedente con i braccialetti. Quando li avete intrecciati avete eseguito una serie di azioni. Per prima cosa, avete aperto il primo braccialetto. Secondariamente, avete afferrato il braccialetto chiuso e ci avete fatto passare dentro quello aperto. Terzo, avete richiuso il braccialetto aperto. Purtroppo noi chimici non possiamo fare lo stesso con le molecole. Legami capaci di essere aperti e chiusi sono ben noti, ma purtroppo nessuno ha dita così piccole (e pazienza così grande!) da intrecciare a mano tutte queste molecole. L’idea di Sauvage è stata in realtà abbastanza semplice, ma geniale. Ha sfruttato infatti la formazione di un complesso metallico – di rame in particolare – per posizionare le molecole con la giusta geometria, successivamente ha utilizzato una normale reazioni chimica per chiudere gli anelli ed infine ha rimosso il rame lasciando solo i due anelli intrecciati. Ha in pratica utilizzato il rame come noi abbiamo utilizzato le dita per incrociare tra di loro i bracciali.
Mentre i il carbonio si lega agli altri atomi in maniera spesso forte e irreversibile, i metalli della serie di transizione possono coordinarsi a dei leganti in maniera più dinamica e attraverso una ampia varietà di geometrie diverse. Un “legante” è una molecola capace di legarsi ad un centro metallico attraverso un processo di donazione di elettroni. Molti leganti contengono infatti dei doppietti di non legame, cioè degli elettroni che non sono impegnati con nessun legame e possono essere donati ad un accettore di elettroni, come uno ione metallico. I composti azotati sono spesso ottimi leganti, a partire dalla semplice ammoniaca (NH3) per finire ad ammine anche abbastanza complesse, in cui cioè al posto degli idrogeni ci sono catene organiche. Il rame, nel suo stato d’ossidazione +1, forma normalmente complessi tetraedrici. Non deve quindi stupire che se facciamo reagire uno ione Cu+ con due molecole di una catena organica contenente due atomi di azoto, le due catene vengano disposte tra di loro come una croce: i due atomi di azoto di ogni catena occupano due vertici adiacenti del tetraedro e i rame rimane al centro.

sintesi dei catenani secondo Jean-Pierre Sauvage

sintesi dei catenani secondo Jean-Pierre Sauvage

La sintesi di Jean-Pierre Sauvage partiva dal far reagire con lo ione Cu+ due derivati della fenantrolina, un legante contenente appunto due atomi di azoto. Nella prima molecola la fenantrolina era già parte di un anello più grande, mentre nella seconda la fenantrolina conteneva anche due estremità reattive che sarebbero state sfruttate nel passaggio successivo. Quando i due leganti interagiscono con il rame, quest’ultimo li obbliga a disporsi come detto precedentemente. A questo punto è possibile inserire nell’ambiente di reazione una nuova molecola che reagisca con le estremità reattive libere e così chiuda anche il secondo anello. A questo punto il rame può essere rimosso e ciò che rimane è il nostro catenano.
Questo lavoro ha spianato la strada a molecole ancora più complesse, come molecole a forma di nodo a trifoglio, a forma di nodo di Solomon, [3]catenani – formati da tre anelli intrecciati – e l’olimpiadano, sintetizzato nel gruppo di Sir. Stoddart nel 1994 e formato da cinque anelli legati tra di loro proprio come gli anelli della bandiera olimpica.
olimpiadano

 

Il contributo di Sir Stoddart e Ben Feringa

Prendiamo ora in esame i cosiddetti rotaxani. Un rotaxano è una molecola costituita da un anello che è libero di scorrere lungo una guida, che contiene due “tappi” all’estremità per evitare che l’anello si liberi. Potete immaginarlo come un bracciale: si può muovere lungo il polso ma non può essere sfilato senza che qualcuno lo apra. Questo tipo di struttura, in ambito chimico, è caratterizzata dalla possibilità di avere più isomeri traslazionali. Due molecole sono dette isomeri quando sono composte dagli stessi atomi, che però sono legati tra di loro in maniera diversa o sono disposti differentemente nello spazio.
Nel caso dell’isomeria traslazionale quello che cambia tra le due molecole è la posizione dell’anello, che può trovarsi in posizione diverse della catena. La prima dimostrazione pratica di questo tipo di isomeria la dobbiamo a Sir James Fraser Stoddart che, quando nel 1991 lavorava all’università di Sheffield, riportò la sintesi di un rotaxano in cui l’anello centrale era capace di comportarsi come una “navetta molecolare” e poteva viaggiare da una estremità all’altra della catena. Se la molecola veniva infatti ossidata per via elettrochimica (cioè se veniva rimosso un elettrone) o se veniva ridotta (cioè se veniva aggiunto un elettrone), o se il pH veniva modificato, l’anello cambiava di posizione, in quanto più affine a una delle due “stazioni” a seconda dei casi. La strategia di sintesi adottata da Stoddart era diversa da quella sfruttata da Sauvage, ma era comunque efficace abbastanza da essere praticabile. In realtà già lo stesso Sauvage aveva mostrato come anche i catenani potessero presentare questo tipo di isomeria, ma ora per la prima volta la “topologia chimica” aveva permesso di ottenere una prima macchina molecolare, una navetta capace di spostarsi a comando tra due posizioni ben definite!

Navetta molecolare realizzata da Sir Stoddart, basata sull'isomeria traslazionale

Navetta molecolare realizzata da Sir Stoddart, basata sull’isomeria traslazionale

Negli anni successivi Sauvage mostrò come era possibile non solo far sì che l’anello si spostasse tra due posizioni, ma anche farlo ruotare su sé stesso. Tutti questi concetti vennero ampliati e numerose macchine molecolari vennero riportare in letteratura anche da molti altri gruppi (tra i quali bisogna ricordare quello di Vincenzo Balzani a Bologna, che collaborò sia con Stoddart che con Sauvage).
muscolo molecolareLo stesso Sauvage nel 2000 riportò un “muscolo molecolare”. Questa molecola è composta da due rotaxani intrecciati tra di loro e può presentarsi in una forma estesa e in una forma contratta, esattamente come un muscolo vero, mentre il gruppo di Stoddart nel 2004 ha pubblicato la sintesi del primo “ascensore molecolare”. Successivamente Sir Stoddart ebbe anche l’idea di sfruttare i rotaxani per ottenere dei dispositivi elettronici. In particolare riuscì nell’impresa di creare una memoria da 160 kbit, in cui ogni singolo bit era composto da un centinaio di molecole di rotaxano.

Come una automobile non è composta solo da ingranaggi, elettronica e carrozzeria, ma anche da un motore che fornisca l’energia per permetterne il movimento, così ogni macchina molecolare ha bisogno anche di un motore per garantirne il funzionamento. La ricerca su questo versante è stata altrettanto viva e proficua di quella sulle “giunzioni meccaniche” tra molecole che abbiamo visto fin ora. L’obiettivo è quindi di riuscire in qualche modo a controllare il moto a livello molecolare, dove invece è normalmente casuale e governato principalmente dal moto browniano. Nella maggior parte delle molecole contenenti dei legami singoli carbonio-carbonio è possibile avere una rotazione attorno al legame, ma questa rotazione, promossa dalla normale energia termica ambientale, è normalmente casuale, cioè avviene sia in senso orario che antiorario. Un’altra strategia prevede di utilizzare invece dei doppi legami, che in condizioni normali sono in una conformazione bloccata e possono ruotare solo in seguito a stimoli specifici che ne permettono la rottura momentanea, come l’illuminazione con luce UV. Nonostante numerosi studi durati tutta la seconda metà del novecento, la sintesi di un vero motore molecolare capace di ruotare ininterrottamente in una direzione ben definita è rimasta però una sfida insormontabile. È stato solo nel 1999 che Bernard L. Feringa, sfruttando la rotazione attorno ai doppi legami promossa dalla luce ultravioletta, ha mostrato come fosse possibile ottenere un motore molecolare capace di ruotare in maniera unidirezionale. La molecola sintetizzata da Feringa era costituita da due porzioni molto ingombranti legate assieme da un doppio legame. Come detto in precedenza nel caso dei legami singoli è possibile avere libera rotazione, ma nei legami doppi non solo questo non è possibile, ma ciò che è legato ai carboni è costretto a disporsi in un unico piano. Di conseguenza se ai carboni costituenti il doppio legame sono legati dei gruppi ingombranti questi si ritroveranno in una situazione sfavorevole, in quanto costretti in uno spazio limitato. Nel momento in cui il doppio legame viene rotto momentaneamente grazie alla luce UV avviene quindi una rotazione che permette di disporre i sostituenti più ingombranti il più lontano possibile. A quel punto una serie di processi termici e di ulteriori impulsi luminosi riportano la molecola nel suo stato iniziale, facendole compiere una rotazione completa.

Motore molecolare sviluppato nel 1999 da Bernard L. Feringa

Motore molecolare sviluppato nel 1999 da Bernard L. Feringa

nanoautomobile semovente sviluppata nel 2014 da Feringa e Co.Questa idea è stata quindi sviluppata ed ha portato nel 2014 ad un motore capace di ruotare ad una frequenza di 12 MHz, cioè quasi 12000 giri al secondo! Inoltre nel gruppo di Feringa sono riusciti anche a costruire una vera nanoautomobile, riportata su Nature nel 2011, capace di muoversi in una direzione prefissata di ben 6 nanometri, cioè sei miliardesimi di metro, un nulla per noi che siamo abituati a ragionare in metri e chilometri ma un grande risultato per il mondo nanoscopico!

 

Conclusioni

Come abbiamo visto da questo breve resoconto, le macchine molecolari sono un argomento estremamente interessante non solo per le loro applicazioni pratiche, ma anche per il grande sviluppo nelle tecniche di sintesi e nella ricerca di base che è servito per il loro sviluppo. Come ha sottolineato anche il prof. Sauvage nell’intervista esclusiva rilasciata per Chimicare (http://www.chimicare.org/blog/attualita/intervista-j-p-sauvage-premio-nobel-2016-la-chimica-design-la-sintesi-macchine-molecolari/) il lavoro dei tre scienziati è stato fondamentalmente un lavoro di ricerca di base, sebbene sia già stato possibile dimostrare come queste in linea di principio possano essere utilizzate anche per delle applicazioni reali. La tecnologia dietro le macchine molecolari è però ancora agli albori e saranno richiesti ancora decenni di studio e di ricerca prima di vederle in azione nella vita di tutti i giorni. Partendo dall’amore per lo sconosciuto e l’inesplorato, dalla semplice volontà di voler trovare una strategia utile per sintetizzare una certa classe di molecole fino a quel momento quasi inaccessibili, è stato possibile spalancare le porte di un mondo nuovo e promettente. Una cosa che oggi, purtroppo, spesso è trascurata anche dagli stessi scienziati.

 

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