Un equipo de Dartmouth desarrolla una bomba controlada por luz con aplicaciones potenciales para la limpieza medioambiental

Cuando el agua entra en la bomba, una longitud de onda de luz activa un receptor molecular sintético diseñado para unirse a iones o aniones con carga negativa, una clase de contaminantes relacionados con alteraciones metabólicas en plantas y animales. Una segunda longitud de onda desactiva los receptores cuando el agua sale de la bomba y hace que liberen los contaminantes, atrapándolos en un sustrato no reactivo hasta que puedan desecharse de forma segura.

"Se trata de una prueba de concepto de que se puede utilizar un receptor sintético para convertir la energía luminosa en potencial químico para eliminar un contaminante de una fuente de residuos", afirma el autor principal del estudio, Ivan Aprahamian, profesor y director del departamento de Química de Dartmouth.

“La bomba está calibrada actualmente para los contaminantes cloruro y bromuro, pero los investigadores están trabajando para ampliar su uso a otros contaminantes ricos en aniones”, dice Aprahamian, como los residuos radiactivos y los fosfatos y nitratos de la escorrentía agrícola que causan zonas muertas masivas.

"Lo ideal sería tener varios receptores en la misma solución y activarlos con distintas longitudes de onda de luz", explica Aprahamian. "Puedes apuntar y recoger cada uno de estos aniones por separado".

La inusual capacidad del receptor sintético para atrapar y descargar moléculas cargadas negativamente permitió a los investigadores controlar el flujo de iones de cloruro desde una solución de baja concentración en un extremo de un tubo en forma de U hasta una solución de alta concentración en el otro extremo. En un periodo de 12 horas, según el estudio, movieron el 8% de los iones de cloruro contra el gradiente de concentración a través de una membrana incrustada con los receptores sintéticos.

Los investigadores se centraron en el cloruro por dos razones. Durante el invierno, las aguas pluviales cargadas de sal para carreteras elevan los niveles de cloruro en los cursos de agua, lo que perjudica a plantas y animales. En segundo lugar, el transporte de iones de cloruro también desempeña un papel clave en el funcionamiento saludable de las células. La fibrosis quística es una enfermedad causada por la incapacidad de las células para bombear el exceso de cloruro. Los iones atrapados causan deshidratación en las células, lo que provoca una acumulación de mucosidad espesa en los pulmones, entre otros órganos.

En términos absolutos, los iones de cloruro fueron impulsados casi 2,5 cm, la anchura de la membrana que separa ambos extremos del tubo. En relación con el diminuto tamaño del receptor, cubrieron una distancia impresionante, impulsados únicamente por la luz. "Equivale a patear un balón de fútbol a lo largo de 65.000 campos de fútbol", afirma Aprahamian.

El laboratorio de Aprahamian se ha centrado durante mucho tiempo en una clase de compuestos sintéticos conocidos como hidrazonas, que se activan y desactivan cuando se exponen a la luz. Durante la pandemia de COVID, el estudiante de doctorado Baihao Shao tuvo la idea de mejorar el receptor de la hidrazona para que pudiera recoger y liberar aniones diana al encenderse y apagarse.

Aprahamian intentó disuadirle. "Le dije que, aunque era una gran idea, no creo que fuera competitiva con los otros impresionantes receptores fotosensibles de la bibliografía", explica. "Por suerte, Baihao no me hizo caso y siguió adelante y diseñó realmente el receptor".

“El receptor no sólo puede controlarse mediante una fuente renovable de energía -la luz-, sino que es relativamente fácil de fabricar y modificar”, afirma Aprahamian. Los investigadores crearon el receptor uniéndolos mediante ‘química de clic’, una técnica ganadora del Premio Nobel que el químico Barry Sharpless ayudó a inventar, años después de graduarse en Dartmouth.

En otra conexión con el Nobel, el estudio demuestra el potencial de las máquinas moleculares ocho años después de que tres químicos recibieran el Premio Nobel de Química 2016 por su trabajo en el desarrollo de versiones sintéticas. Las máquinas moleculares abundan en la naturaleza, alimentadas por ATP en células animales, y por el sol, en células vegetales. En los seres humanos, diminutas máquinas moleculares llevan a cabo gran parte del trabajo que se produce dentro de las células, desde la replicación del ADN hasta el transporte de materiales a través de la membrana celular.

Durante décadas, los científicos han intentado reproducir estas máquinas miniaturizadas fuera del cuerpo, con el sueño de aplicarlas a tareas como la limpieza del medio ambiente, la administración de fármacos y el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Pero las máquinas moleculares artificiales son más fáciles de diseñar sobre el papel que de poner en práctica en la vida real.

"Queremos imitar esos procesos biológicos utilizando la luz solar como fuente de energía para crear sistemas de filtración autónomos y autosuficientes", finaliza Aprahamian.