Portugal - Cientistas usam micro-ondas para desvendar de que forma a água interfere no funcionamento de interruptores moleculares

Uma equipa de investigadores do Departamento de Física (DF) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) usa micro-ondas para desvendar de que forma a água interfere a nível microscópico no funcionamento de interruptores moleculares.

Os resultados desta investigação estão publicados em dois artigos científicos na prestigiada revista “Angewandte Chemie International Edition”. Estas publicações relatam as descobertas no âmbito do projeto “MiCRoARTiS – Microwave Fingerprinting Artificial Molecular Motors in Virtual Isolation”, coordenado pelo Sérgio Domingos, professor do DF, e financiado pelo ERC.

Como explica Sérgio Domingos, «interruptores moleculares são moléculas com funcionalidades que podem ser configuradas “à medida” quando sintetizadas em laboratório. Elas podem ser programadas para funcionar como um “nano-interruptor” que altera a sua estrutura tridimensional quando recebe impulsos de luz com comprimentos de onda específicos que, consequentemente, pode “ligar” e “desligar” na sua disponibilidade para interagir com outros sistemas».

Moléculas capazes de executar estas funções com reprodutibilidade são blocos fundamentais na conceptualização de máquinas moleculares sintéticas para uma variedade de aplicações na biologia, medicina e nanotecnologia molecular. «A equipa estudou a relação entre a estrutura tridimensional e o equilíbrio energético de dois interruptores moleculares com o mesmo chassi, mas com unidades móveis diferentes», revela o também investigador do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC).

«No nosso grupo de investigação, utilizamos uma técnica de espectroscopia de alta-resolução, que nos permite observar a estrutura tridimensional destas moléculas na sua fase gasosa. Para tal, usamos o nosso espectrómetro de micro-ondas, para irradiar e, posteriormente, recolher a emissão das moléculas de forma a capturarmos o seu espectro rotacional», descreve a equipa.

De acordo com os cientistas, este espectro rotacional é, basicamente, um “código de barras quântico”. «Assim como um código de barras identifica cada um dos produtos no supermercado, este espetro rotacional é um padrão de linhas único para cada molécula. Tal, permite-nos distinguir não só diferentes espécies moleculares (diferentes fórmulas químicas), mas também as diferentes estruturas que a mesma espécie química pode adotar, como é o caso dos interruptores moleculares que têm duas estruturas possíveis: aberto ou fechado», esclarecem.

Os investigadores elucidam, ainda, que o primeiro passo é compreender como estes interruptores moleculares se comportam sozinhos e sem a interferência de outras moléculas vizinhas. Posteriormente, observam como este sistema se comporta em solução, adicionando uma molécula de água de cada vez ao interruptor molecular.

«Ao observarmos a formação desta esfera de solvatação passo-a-passo, conseguimos estudar com grande detalhe os mecanismos de encaixe que são privilegiados microscopicamente, e construir, assim, um modelo teórico para prever estes efeitos e o comportamento dinâmico da água na vizinhança imediata das moléculas», afirmam os especialistas.

Em suma, no primeiro estudo foi possível verificar que, ao adicionar água ao sistema, o equilíbrio entre a forma aberta/fechada fica comprometido, invertendo-se a preferência da posição do interruptor. «Esta observação é altamente relevante, porque nos informa de como as propriedades deste sistema se podem alterar significativamente quando rodeado de apenas algumas moléculas de água», considera Nuno Campos, aluno de doutoramento e primeiro autor deste artigo, que também contou com colaborares de duas universidades alemãs, em Hamburgo e Bochum.

O segundo artigo estuda um outro interruptor molecular, previsivelmente mais simples, mas que revelou ser um desafio para muitos dos modelos teóricos de química computacional de alto nível. Este estudo culmina numa nota à comunidade científica para a importância de não confiar cegamente nas previsões teóricas, realçando o papel fundamental das medições experimentais para validar informação estrutural e dinâmica de sistemas moleculares complexos.

«São estes resultados que promovem melhorias na construção de novos modelos de previsão e que motivam avanços na física teórica», conclui Rita Roque, investigadora do CFisUC e primeira autora deste artigo, que recebeu a menção de “Hot Paper” pelo editor e foi selecionado para ilustrar uma das capas desta prestigiada revista alemã. Universidade de Coimbra - Portugal