Insights into hydrogen bonded systems: from single molecule to the bulk

Resumen

La química supramolecular es conocida como la “química más allá de la molécula” y se centra en el estudio de las interacciones débiles y reversibles que se dan entre las moléculas, conocidas como interacciones no covalentes. La importancia de la química supramolecular fue puesta de manifiesto con el Premio Nobel en Química de 1987, que fue otorgado a Cram, Lehn y Pedersen en reconocimiento a su trabajo en esta área. Décadas después del nacimiento de la química supramolecular, se pueden encontrar muchas técnicas para medir las interacciones no covalentes en condiciones de equilibrio. Debido a que los conjuntos de moléculas pierden coherencia rápidamente, no podemos extrapolar los datos masivos a eventos de una sóla molécula en condiciones de no equilibrio, de mayor relevancia para la dinámica de los sistemas biológicos. El tema central de esta tesis consiste en el estudio de la química supramolecular, y en particular de sistemas unidos por enlaces de hidrógeno, desde una perspectiva de una sola molécula. Los capítulos 2 y 4 se centran en la naturaleza misma de los enlaces de hidrógeno, a través del estudio de sistemas huésped-receptor. Los enlaces de hidrógeno, son posiblemente la interacción no covalente más importante. Las propiedades físicas del agua y el almacenamiento de información en el ADN dependen de los enlaces de hidrógeno, por nombrar tan solo dos ejemplos cruciales. En el capítulo 2 hemos desarrollado un nuevo método que explota la alta resolución en fuerza de las pinzas ópticas (OT) para medir, a nivel de una sola molécula, la resistencia mecánica de sistemas huésped-receptor unidos por enlaces de hidrógeno, fuera del equilibrio y bajo condiciones cuasi-fisiológicas. Para aislar inequívocamente eventos de unión individuales, utilizamos un espaciador de ADN. El sistema receptor de Hamilton–ácido cianúrico, que se mantiene unido a través de seis enlaces de hidrógeno, fue el sistema huésped-receptor estudiado. La fuerza requerida para romper el sistema es ~17 pN y aumenta con la velocidad de estiramiento como se espera para un sistema en condiciones de no equilibrio. El bloqueo de uno de los sitios de enlace de hidrógeno da como resultado una disminución significativa de la fuerza para romper el sistema de 1-2 pN, lo que indica la capacidad del método para resolver cambios sutiles en la resistencia mecánica del enlace debido a componentes individuales de enlaces de hidrógeno. Hasta el día de hoy, todavía existe un debate acalorado sobre la importancia de las contribuciones Coulombicas y covalentes a los enlaces de hidrógeno. En esta línea, el objetivo principal del capítulo 4 fue contribuir experimentalmente a una mejor comprensión de la naturaleza de los enlaces de hidrógeno. Para ello, comparamos las constantes de asociación (Ka) de cuatro sistemas huésped-receptor unidos por enlaces de hidrógeno, que presentan dadores y aceptores fuertes enlaces de hidrógeno, en disolventes orgánicos y en tris(pentafluoroetil) trifluoro fosfato de 1-etil-3-metilimidazolio ([emim][FAP]), un líquido iónico a temperatura ambiente (RTIL), a través de valoraciones UV-vis espectroscópicas. Los RTILs son sales puras con punto de fusión por debajo de la temperatura ambiente, en las cuales las interacciones electrostáticas dipolo-dipolo (proporcionales a r−6) deberían ser insignificantes en comparación con las interacciones carga-dipolo (proporcionales a r−4). Obtuvimos Ka más pequeñas en [emim][FAP] (Ka(Ben-AcOH) = (1.99 ± 0.12) x 103 M-1; Ka(HR-cy) = (3.16 ± 0.11) x 106 M-1; Ka(18_crown_6-Am) = (3.16 ± 0.36) x 103 M-1; Ka(DMTU-BzO−) = (1.99 ± 0.09) x 104 M-1) que en disolventes orgánicos (Ka(Ben-AcOH) = (2.51 ± 0.15) x 103 M-1 en CH3Cl; Ka(HRcy) = (6.31 ± 0.38) x 105 M-1 en acetonitrilo; Ka(18_crown_6-Am) = (3.98 ± 0.55) x 103 M-1 en acetonitrilo; Ka(DMTU-BzO−) = (3.98 ± 0.09) x 104 M-1 en CH3Cl), como se esperaba, pero sorprendentemente, del mismo orden de magnitud. Además, observamos desplazamientos en la huella dactilar en los espectros ATR-IR para las parejas HR-cy y Ben-AcOH en RTIL; por lo tanto, la caracterización espectroscópica de estos sistemas huésped-receptor confirmó su formación a través de enlaces de hidrógeno, en lugar de interacciones solvofóbicas inespecíficas. También comparamos mediciones a nivel de una sola molécula en uno de los sistemas huésped-receptor en orto-diclorobenceno (o-DCB) y [emim][FAP], usando espectroscopía de fuerza de una sóla molécula basada en AFM. El evento de asociación fue claramente detectable y mostró valores de fuerza de ruptura comparables en ambos disolventes, y de nuevo menores en RTIL (230 ± 37 pN en o-DCB frente a 94 ± 30 pN en RTIL). Nuestros resultados indican que la fuerza de los enlaces de hidrógeno se ve afectada por el cambio en el disolvente, pero no se suprime por completo en entornos compuestos completamente de moléculas cargadas, lo que sugiere que el equilibrio entre contribuciones Coulombicas y covalentes, no se inclina hacia el primero en el caso de enlaces de hidrógeno fuertes. En comparación, observamos que el agua, con dadores y aceptores de enlaces de hidrógeno más debiles se une exclusivamente al anión del RTIL, como se espera para los enlaces de hidrógeno dominados por interacciones electrostáticas. El estudio de motores moleculares sintéticos ha dado lugar a que recientemente Sauvage, Stoddart y Feringa recibieran el Premio Nobel de Química 2016. Los motores moleculares naturales rectifican el movimiento Browniano aleatorio para generar fuerzas direccionales y llevar a cabo tareas. Inspirados en los ejemplos naturales, se han desarrollado dispositivos sintéticos que exhiben control sobre el movimiento rotatorio o lineal. Incluso hay algunos ejemplos seleccionados de sistemas sintéticos capaces de utilizar el movimiento Browniano rectificado para realizar trabajos e inducir colectivamente el movimiento de objetos mucho más grandes. Sin embargo, observar los mecanismos de trabajo de tales sistemas a nivel de una sola molécula sigue siendo un gran desafío. En el capítulo 3, hemos manipulado mecánicamente rotaxanos individuales de dos estaciones unidos por enlace de hidrógeno, aprovechando la gran sensibilidad en fuerza, espacio y tiempo que caracteriza a las OT. Pudimos estudiar el ciclo mecano-químico de esta molécula en condiciones cuasi-fisiológicas. Hemos sido capaces de controlar la posición promedio del macrociclo aplicando una carga mecánica en el sistema. Sorprendentemente, aplicando fuerzas próximas a la fuerza de coexistencia, es decir, la fuerza a la cual el macrociclo presenta la misma probabilidad de encontrarse en ambas estaciones, observamos el movimiento de desplazamiento inducido térmicamente de macrociclos individuales durante minutos, registrando cientos de eventos de “salto”. Estas mediciones nos han permitido caracterizar la dinámica del sistema de operación en términos de la diferencia de energía libre de Gibbs (DG = 34 ± 2 kBT), la fuerza de coexistencia (F1/2 = 8.92 ± 0.4 pN), la coordenada del estado de transición (7 ± 2 nm) y las velocidades cinéticas a un rango amplio de fuerzas. Finalmente, en el capítulo 5 estudiamos la química supramolecular desde un punto de vista biológico, durante una estancia de investigación (3 meses) en el laboratorio de Barbara Imperiali en MIT. Nos centramos en el estudio de ligandos basados en proteínas para desarrollar un nuevo biosensor solvatocrómico. Específicamente, en este capítulo nos centramos en la ingeniería de la proteína ultaestable Sso7d (de la arquea hipertermofila Sulfolobus solfataricus), buscamos Sso7d que fueran capaces de unir selectivamente el factor de crecimiento epidérmico humano (hEGF), y que dieran lugar a un aumento de la fluorescencia cuando se produce la unión de hEGF. Para ello, hemos llevado a cabo la evolución dirigida del esqueleto Sso7d, y obtuvimos un huésped que enlazaba selectivamente hEGF y que presentaba constantes de disociación en el rango de 10-8 M. Una vez encontrado este huésped, lo decoramos con el fluoróforo 4-N,N-dimetilamino-1,8-naftalimida (4-DMN) en las posiciones 31 y 33, lo que dio como resultado aumentos de 15 veces en la fluorescencia tras la unión de hEGF. Estos son resultados prometedores y están cerca de encontrar un excelente biosensor solvatocrómico.