Las moléculas forman un panal
Unos investigadores descifran el plano de las fibras moleculares
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Unas moléculas minúsculas, conocidas como péptidos, pueden agruparse para formar fibras con estructura de panal de abeja llenas de agua. El plano de estas fibras reside en una secuencia de aminoácidos muy corta, tal y como han demostrado ahora investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, la Universidad de Ulm y el Hospital Universitario de Ulm. Estos planos proporcionan las reglas para construir materiales ordenados a partir de cadenas moleculares muy cortas y constituyen un punto de partida para estudiar el agua en espacios extremadamente reducidos. Los resultados se han publicado en la revista Nature.
Las estructuras en forma de panal nos resultan familiares, sobre todo por las colmenas. Los investigadores han diseñado ahora moléculas que se autoensamblan formando un patrón similar a una escala demasiado pequeña para ser visible a simple vista.
Estas moléculas son péptidos: cadenas cortas de aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas. Cada uno de estos péptidos específicos está formado por solo nueve aminoácidos. Muchas copias idénticas se ensamblan para formar fibras minúsculas con un interior similar a un panal de abejas, lleno de agua.
En este trabajo han participado el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, la Universidad de Ulm y el Hospital Universitario de Ulm. El estudio, con Jasmina Gačanin y Francesca Mazzotta como coautoras principales, se ha publicado ahora en *Nature*.
«Las moléculas vienen con sus propias instrucciones de montaje», afirma Tanja Weil, directora del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, quien dirigió el estudio junto con su colega Katharina Landfester. «El paso crucial es comprender cómo una secuencia peptídica tan corta da lugar a una estructura ordenada mucho más grande».
El código del panal
Los investigadores diseñaron una secuencia peptídica corta de nueve aminoácidos y la estudiaron en varias variantes. Descubrieron que esta secuencia de aminoácidos determina cómo se organizan los péptidos. Dos péptidos se emparejan y tres se unen en cada unión. Esto crea anillos hexagonales que se unen uno al lado del otro formando un panal y se apilan a lo largo de la fibra. El resultado son fibras con numerosos canales paralelos y continuos de unos cinco nanómetros de diámetro.
Mediante la sustitución sistemática de segmentos individuales de la secuencia de aminoácidos, los investigadores pudieron determinar qué segmentos son necesarios para que se forme una estructura de panal.
Para ello, utilizaron un tipo especial de microscopía electrónica conocida como criomicroscopía electrónica. En esta técnica, la muestra se congela rápidamente en una fina capa de hielo y se obtiene una imagen de la misma en su estado natural e hidratado. Esto permite a los científicos determinar exactamente cómo se entrelazan los péptidos vecinos. «No solo vemos el patrón resultante en forma de panal, sino también los contactos moleculares que hay detrás», afirma Landfester.
Un mundo diferente para el agua
Los canales no son tubos vacíos. Están continuamente llenos de agua, y esta agua se comporta de forma diferente al agua corriente. Las simulaciones por ordenador sugieren que el agua del interior está más compacta y es menos móvil que la del exterior, y que sus enlaces de hidrógeno persisten durante más tiempo.
Los experimentos respaldan esta imagen. Los investigadores secaron las fibras en condiciones controladas y utilizaron espectroscopia infrarroja para seguir cómo se escapa el agua. El agua con enlaces débiles desaparece primero, mientras que el agua con enlaces más fuertes en los canales se retiene durante mucho más tiempo. En cambio, en un péptido de control que forma fibras pero no canales, el agua se pierde de manera uniforme. La estructura de panal de abeja en sí misma permanece intacta durante el secado.
Un único bloque de construcción marca una diferencia notable. Al sustituir el aminoácido que recubre la pared del canal, cambia la fuerza con la que se une el agua en el interior: dependiendo del bloque de construcción, se une con mayor fuerza o de forma similar al agua común. Es fundamental que los péptidos modificados sigan formando el patrón de panal. Esto permite adaptar el entorno dentro de los canales sin alterar su geometría hexagonal.
Los resultados constituyen un punto de partida para estudiar el comportamiento del agua en espacios muy reducidos y explorar posibles aplicaciones en la separación de sustancias o en reacciones químicas. Dichas aplicaciones aún no se han demostrado. Por el momento, el avance radica en un conjunto de reglas contrastadas según las cuales se pueden construir materiales complejos a partir de cadenas moleculares muy cortas.
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