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motóre molecolare

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Definizione

È uno dei vari sistemi molecolari, costruiti artificialmente, che seguendo la stessa logica dell'ingegneria è in grado di compiere azioni specifiche. A differenza dei congegni e dei circuiti meccanici, costruiti mediante il montaggio di diversi elementi strutturali macroscopici, tali motori svolgono i loro particolari compiti attraverso la specificità delle molecole che li compongono; la scienza che studia e realizza tali sistemi è la bioingegneria. Poiché grazie all'acquisizione di tecniche sempre più raffinate è possibile sintetizzare artificialmente molecole di qualsiasi forma e dimensione, la sperimentazione nell'ambito della bioingegneria mira ad assemblare dei sistemi molecola per molecola, con la formazione di sistemi sopramolecolari in grado di compiere un lavoro.

Il ruolo della luce

Nel funzionamento di questi congegni, la luce svolge un ruolo essenziale, in quanto viene utilizzata sia per fornire energia (evento che nel mondo biologico avviene durante la fotosintesi), sia per elaborare il segnale luminoso come elemento di informazioni (“mimando” il processo visivo). Le prime macchine molecolari realizzate sono state delle “pinze” in grado di catturare ioni metallici: l'unità centrale di tali “macchine” subisce, per azione della luce, una reazione di isomerizzazione, cioè il passaggio dalla forma trans a quella cis ; le due unità laterali si avvicinano, e coordinano lo ione metallico d'interesse; motori molecolari che agiscono in questo modo potrebbero essere utilizzati per intervenire sul controllo della velocità di trasporto di ioni attraverso la membrana cellulare. Tale meccanismo è stato sfruttato anche per catalizzare reazioni fra molecole grazie all'energia luminosa, allontanandole o avvicinandole reciprocamente. È stato possibile anche applicare questi principi a strutture tridimensionali, il cui ruolo è dovuto essenzialmente alla presenza e alla conformazione di concavità: se tale caratteristica strutturale è conferita dalla presenza di molecole modificabili con la luce, è possibile anche controllarne le dimensioni; sistemi di questo genere potrebbero essere utilizzati per controllare la permeabilità della membrana cellulare o per “catturare” molecole, che potrebbero in seguito venire rilasciate grazie ad un successivo stimolo di tipo luminoso. Sono stati messi a punto anche sistemi più complessi, costituiti da una molecola ad anello all'interno della quale ne è inserita una lineare, come una ruota con il perno; con specifiche reazioni chimiche è possibile legare fra loro le estremità della molecola lineare in modo da renderla ciclica, con la formazione di un doppio anello, detto catenano, oppure legare a tali estremità due gruppi di dimensioni discrete che ne impediscono lo sfilamento, in una struttura detta rotassano. Tali sistemi si prestano all'attuazione di movimenti meccanici quali lo spostamento dell'anello esterno su quello interno o lungo la molecola lineare che riproducono i movimenti meccanici alla base del funzionamento di congegni e macchine di grandi dimensioni.

Il controllo delle interazioni fra i componenti

Per rendere tali motori utilizzabili, è necessario che i movimenti molecolari siano controllabili, cioè che sia possibile guidare le interazioni fra i loro componenti mediante stimoli esterni; se le interazioni sono dovute a un accettore e a un donatore di elettroni, queste possono essere controllate da reazioni di ossidoriduzione derivanti da vie chimiche o fotochimiche; quando invece l'interazione è dovuta a legami idrogeno, lo stimolo sarà dato dall'aggiunta di un acido o di una base. In Germania è stato costruito un catenano in cui un anello può essere ristretto o allargato con la luce; tali variazioni ne rallentano o aumentano il movimento termico, e quindi esso funziona come un freno molecolare azionato dalla luce. A sostegno della bioingegneria, nella realizzazione delle macchine molecolari è la chirurgia molecolare, attraverso la quale si studia la possibilità di rompere e formare legami chimici fra gli atomi in maniera altamente controllata per formare nuove combinazioni chimiche; è stata messa a punto da D. Mensel e P. Ferulner una tecnica che sfrutta le proprietà dei raggi X per determinare una riorganizzazione della nube elettronica intorno ad un atomo e per guidare selettivamente la rottura di un legame chimico. La necessità di ridurre sempre più le dimensioni di dispositivi di varie apparecchiature è fortemente sentita soprattutto in campo informatico, dove la miniaturizzazione dei componenti elettronici potrebbe consentire un notevole aumento delle potenzialità e della memoria degli elaboratori. Inoltre questi sistemi funzionano esattamente secondo la logica binaria, in quanto si convertono in due stati distinti mediante stimoli esterni di natura chimica, elettrica o luminosa, e tali cambiamenti sono facilmente evidenziabili attraverso i drastici cambiamenti delle loro proprietà spettroscopiche.