Conmutación quiral controlable en dobladores de doble hélice para sistemas moleculares avanzados

El ácido desoxirribonucleico o ADN, el sistema molecular que transporta la información genética de los organismos vivos, puede transcribir y amplificar información utilizando sus dos hebras helicoidales. La creación de sistemas moleculares artificiales que igualen o superen la funcionalidad del ADN es de gran interés para los científicos. Los dobladores de doble hélice son uno de esos sistemas moleculares.

Los plegadores helicoidales son una clase de moléculas artificiales que se pliegan en estructuras helicoidales bien definidas, como las hélices que se encuentran en proteínas y ácidos nucleicos. Han atraído una atención considerable como moléculas conmutables que responden a estímulos, materiales quirales sintonizables y sistemas supramoleculares cooperativos debido a sus propiedades de conmutación quirales y conformacionales. Los plegadores de doble hélice exhiben no solo propiedades quirales aún más fuertes, sino también propiedades únicas, como la transcripción de información quiral de una hebra quiral a otra sin propiedades quirales, lo que permite aplicaciones potenciales en el control estructural de orden superior relacionado con la replicación, como los ácidos nucleicos. Sin embargo, el control artificial de las propiedades de conmutación quirales de tales moléculas artificiales sigue siendo un desafío debido a la dificultad de equilibrar las propiedades dinámicas necesarias para la conmutación y la estabilidad. Aunque en el pasado se han desarrollado varias moléculas helicoidales, rara vez se ha informado de la inversión de la dirección de torsión en moléculas de doble hélice y supramoléculas.

En un gran avance, un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, dirigido por el profesor Hidetoshi Kawai del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias, y entre ellos el Sr. Kotaro Matsumura del Departamento de Química, ha desarrollado un nuevo motivo mecánico, llamado de monometalofoldámeros de doble hélice con conmutación quiral controlable. El Prof. Kawai explica: «En esta investigación, pudimos sintetizar un complejo mononuclear de doble hélice unido con un único catión metálico en el centro de las hélices para equilibrar la estabilidad y las propiedades dinámicas. Estas estructuras pueden sufrir conmutación por inversión cambiando las direcciones de bobinado izquierda y derecha de ambas hebras de la hélice utilizando diferentes disolventes.. «El estudio fue publicado en Revista de la Sociedad Química Estadounidense el 19 de julio de 2024.

Los investigadores sintetizaron monometalofoldámeros de doble hélice a partir de dos hebras de tipo bipiridina con unidades en forma de L, que, tras formar un complejo con un catión de zinc, formaron estructuras de doble hélice. La cristalografía de rayos X reveló estructuras de doble hélice con un catión metálico en el centro. Los investigadores investigaron la capacidad de conmutación de los monometalofoldámeros en respuesta a estímulos externos y descubrieron que los extremos de la hélice de la forma de doble hélice pueden desplegarse en soluciones, dando como resultado la forma abierta favorecida a altas temperaturas, y replegarse en la forma de doble hélice, favorecida a bajas temperaturas. .

Curiosamente, la helicidad del monometalofoldámero de doble hélice con cadenas quirales se puede controlar en respuesta a disolventes aquirales. Por ejemplo, en disolventes no polares (tolueno, hexano, Et₂O), se vuelve zurdo o METRO-forma, y ​​en disolventes básicos de Lewis (acetona, DMSO), se vuelve diestro o PAG-forma. Para ello se consideró importante la conformación de las cadenas quirales introducidas en las hebras de la hélice. P/M traspuesta. Además, encontraron que cuando una hebra de hélice con cadenas quirales se mezcla con una hebra sin cadenas quirales, la dirección de bobinado de la hélice se transmite y amplifica a la hebra aquiral sin cadenas quirales, manteniéndose la capacidad de inversión de helicidad.

Al enfatizar la importancia de esta nueva molécula, el Sr. Matsumura dice: «Nuestros monometalofoldámeros de doble hélice sintetizados tienen el potencial de aplicarse a nuevos materiales de conmutación quiral que producen diversas propiedades quirales mediante pequeñas entradas y pueden usarse para desarrollar sensores quirales. Además, esperamos que esta nueva estructura molecular conduzca a facilitar la génesis de sistemas supramoleculares desracemizados y organizados como los que se encuentran en la naturaleza, transmitiendo y amplificando sus propiedades quirales superiores.«

En general, este estudio marca un paso significativo hacia la realización de estructuras de doble hélice artificiales controlables, allanando el camino para nuevos sistemas moleculares de alto orden y procesamiento de información molecular.