Estudio estructural y supramolecular de pequeñas moléculas de relevancia biológica : síntesis de materiales bioinspirados y sus potenciales aplicaciones - Movilla, Federico (2024)
La química supramolecular es definida como “la química más allá de una molécula” y se basa en el estudio de las interacciones no covalentes que puede desarrollar una molécula, con su entorno. Un importante número de fenómenos biológicamente relevantes, como el correcto plegamiento de ciertas proteínas, la especificidad catalítica de las enzimas, y la síntesis de materiales biogénicos con roles bien definidos, están regidos total o parcialmente por la naturaleza de la interacción no covalente entre las moléculas involucradas en el proceso. Asimismo, muchos de los mecanismos a través de los cuales se desarrollan diversos eventos fisicoquímicos, como la separación de fases en una solución, el desarrollo de sistemas organizados no-covalentes, como micelas y cristales líquidos, o los procesos de selección de enantiómeros en las síntesis asimétricas, para nombrar solo algunos ejemplos relevantes, también están gobernados por la química supramolecular. Este rol ubicuo y fundamental de la química supramolecular en tantas y tan diversas ramas de la ciencia despertó un interés especial en el desarrollo de nuevas herramientas para su estudio y predicción. Al mismo tiempo, desde hace unas décadas se han propuesto múltiples maneras de abordar el estudio de la relación que existe entre la estructura molecular, la química supramolecular y las propiedades de una dada especie química, lo cual sentó las bases del diseño racional de estructuras moleculares con propiedades específicas. Con la finalidad de contribuir a desenmarañar el entramado de factores que pueden afectar la química supramolecular de un sistema, y alterar la interacción con su entorno, durante este trabajo de tesis doctoral se diseñaron y sintetizaron varias familias de moléculas derivadas de aminoácidos y aldehídos de interés biológico, y se investigó su química supramolecular al ser sometidas a distintas condiciones experimentales. En particular, se exploró la capacidad de estas moléculas de desarrollar fases sólidas ordenadas y se estudiaron las propiedades en solución empleando solventes de diversa naturaleza. Esto dio como resultado la obtención de distintos materiales supramoleculares como cristales, mesoestructuras, y organogeles. Para cumplir con los objetivos propuestos se emplearon diferentes técnicas espectroscópicas, difracción y dispersión de rayos X, microscopía confocal y de luz polarizada, y cálculos de estructura electrónica empleando la teoría del funcional de densidad (DFT). El parentesco observado entre los ensamblajes supramoleculares desarrollados por estos derivados de aminoácidos con las estructuras del tipo amiloide, y el impacto que este tipo de nanoestructuras patológicas ha despertado en los últimos años, motivó el estudio de la capacidad amilogénica de estos compuestos. Se estudió el potencial carácter citotóxico de los filamentos elongados obtenidos en condiciones fisiológicas sobre neuroblastos de ratón no diferenciados empleando microscopía confocal de imagen de tiempo de vida de fluorescencia resuelta en el tiempo. Para algunos de los compuestos se pudo observar el desarrollo del proceso de apoptosis en las células y la presencia de estructuras filamentosas en la matriz extracelular. Por último, se estudiaron las propiedades estructurales, mecánicas y ópticas de monocristales obtenidos a partir de diferentes fases cristalinas derivadas de las purinas adenina, guanina y cafeína. El análisis estructural se llevó a cabo mediante técnicas de difracción de rayos X, simulaciones por DFT y el estudio de las redes de energía desarrolladas en cada sistema, lo que permitió comprender la relación entre el empaquetamiento cristalino, las interacciones intermoleculares y las propiedades mecánicas observadas (fragilidad, flexibilidad plástica o elástica, dependiendo del sistema). Estos resultados proveen, además, las herramientas predictivas necesarias para el diseño de nuevos sólidos cristalinos bioinspirados. Asimismo, se obtuvieron nuevos materiales cristalinos híbridos empleando las fases sólidas de las purinas como huéspedes de colorantes incorporados de forma intracristalina. Estos nuevos materiales presentaron una respuesta mecánica y óptica muy innovadora.