David Leigh da Universidade de Manchester, que também trabalha em motores moleculares autônomos mas não estava envolvido neste trabalho, chama de “uma nova solução para (a) problema basic” e um “uso imaginativo de enzimas”. Embora as máquinas moleculares tenham recebido um Prêmio Nobel em 2016aqueles que operar de forma autônoma em combustíveis químicos ainda são raros, ele diz. Collins e Clayden’s é o primeiro exemplo que ele conhece que usa a química redox e o primeiro a usar enzimas para direcionar seu movimento.
A construção de máquinas moleculares autônomos é desafiadora, porque significa descobrir como controlar as posições das moléculas no tempo e no espaço em um ciclo repetitivo sem intervenção prática. “Você precisa ter essa rede de reação cíclica continuamente operando, onde está indo entre esses dois estados por diferentes vias mecanicistas”, diz Collins.
As enzimas têm duas qualidades que as tornam ideais para esse tipo de aplicação, explica ela. Primeiro, eles são ótimos em fazer química com controle espacial em 3D. Segundo, eles evoluíram para operar em ambientes complexos, possibilitando dois mecanismos de reação diferentes em execução simultaneamente sem interferir entre si.
A molécula de motor que Collins, Clayden e colegas de trabalho fizeram é uma estrutura muito simples: dois anéis conectados, um com um fluorino e um grupo de álcool e outro, dois braços com ponta de álcool. Essa forma da molécula é simétrica e os braços impedem que os anéis girem livremente além do outro. O ciclo de reação que transfer o rotor começa com uma enzima alcoólica desidrogenase oxidando um dos álcoois, formando um aldeído e quebrando a simetria da molécula. O aldeído é então capaz de passar pelo grupo álcool no outro anel através de uma interação não covalente entre o oxigênio do álcool e a ligação π aldeído. Finalmente, a amônia borana reduz o grupo de aldeído de volta a um álcool, restaurando a simetria da molécula.
São necessários aproximadamente 20 h para que a molécula média gire um 360 ° completo porque as taxas de reação são relativamente lentas e apenas cerca de metade das moléculas do motor sofrem rotação em cada ciclo de redução de oxidação. As reações continuam enquanto oxigênio e o borano suficientes estejam disponíveis para alimentá -los – embora o borno seja propenso a reações colaterais, portanto é necessário um grande excesso.
Provando que o motor funciona foi um desafio porque “quando está operando corretamente, depois de 48 horas, você olha para ele, e é exatamente como foi quando você começou”, diz Collins. Os pesquisadores usaram o borano de amônia marcada com deutério para avaliar se o ciclo foi bem-sucedido. A presença de átomos de deutério no produto last significa que as reações de oxidação e redução funcionaram como pretendido.
“Este é muito um protótipo”, diz Collins. Ela prevê muitas direções para trabalhos futuros. Por exemplo, pode-se considerar a triagem de alto rendimento ou a evolução direcionada-outra idéia no nível do Nobel-para otimizar a enzima. E, é claro, há muitas outras reações que ninguém ainda tentou usar para alimentar motores moleculares.
O fato de as máquinas moleculares terem recebido um prêmio Nobel “realmente meio que enganam as pessoas, até as pessoas da comunidade química, para pensar que terminamos”, diz Collins. Mas “há uma infinidade de reatividade por aí, e ainda não a exploramos, então estamos muito interessados nisso”.
