Uno de los descubrimientos científicos más relevantes para la humanidad, ocurrido en la década de los años 80, es la existencia de nuevas propiedades y fenómenos que suceden en la materia, a escala nanométrica. 1 nanómetro (nm) equivale a la millonésima parte de 1 milímetro; en esta escala, los nanomateriales (de tamaño entre 0.5 y 100 nm) están compuestos de un número finito de átomos, entre 10 y 10 millones.

Aunque Richard Feynman profetizó, en 1959, que no había una ley física que impidiera fabricar nanomateriales al combinar átomos individuales, fue hasta los años 80 que varios grupos de investigación en el mundo lograron la síntesis¹ de estos sistemas, utilizando diversos métodos físicos y químicos.

Algunas propiedades cambian abruptamente al aumentar o disminuir el tamaño por un solo átomo.

En 1985, Richard Smalley y colaboradores sintetizaron el fullereno C₆₀, una nanopartícula hueca y estable, con 60 átomos de carbono. Este logro les valió el Premio Nobel de Química en 1996, y marcó el nacimiento de un campo de investigación: la nanociencia, dedicada a descubrir, entender y predecir las nuevas propiedades y fenómenos existentes en los nanomateriales.

Esta área de la ciencia es multidisciplinaria, pues usa enfoques y metodologías de la física, la química, la ciencia e ingeniería de materiales y la biología, lo que ha favorecido la creación de adelantos nanotecnológicos con aplicaciones en nanomedicina, nanoelectrónica, nanocatálisis, etc.

La nanociencia ha superado grandes desafíos, dando lugar a nuevas e inesperadas propiedades fisicoquímicas. Algunos retos aún no se resuelven; propiedades como las electromagnéticas y catalíticas, color o morfología pueden sufrir cambios abruptos al aumentar o disminuir el tamaño del nanomaterial por un solo átomo. Es asombroso.

La imagen espejo de un nano-objeto quiral no se puede superponer con el nano-objeto original.

Una de las propiedades más interesantes desplegada por algunos nanomateriales es la quiralidad, conocida en moléculas, superficies, cristales y otros sistemas. Esta indica que la imagen espejo de un nano-objeto quiral no se puede superponer completamente con el nano-objeto original.

En términos generales, un objeto quiral no es idéntico a su imagen espejo, propiedad geométrica que podemos ejemplificar con nuestras propias manos (de hecho, la palabra quiralidad viene del griego kheir, que significa mano): a pesar de que las manos izquierda y derecha son muy parecidas, siempre podemos diferenciar una de la otra. Si colocamos nuestra mano derecha frente a un espejo, el reflejo será una imagen de la mano izquierda, pero si las superponemos (una sobre la otra) no coinciden (ver Figura 1).

Figura 1. Mano frente a espejo / Manos superpuestas.

¿Por qué es tan importante la quiralidad? Porque está presente en distintas escalas, desde la astronómica hasta la subatómica. En particular, en la escala molecular encontramos dos efectos esenciales para la vida: los azúcares que forman el ADN tienen quiralidad derecha, mientras que los aminoácidos que conforman las proteínas, son moléculas con quiralidad izquierda. La quiralidad molecular es trascendental para los humanos (y para todos los seres vivos).

La quiralidad está presente en distintas escalas, desde la astronómica hasta la subatómica.

Más del 50% de los medicamentos que curan enfermedades contiene moléculas quirales como sustancias activas. Esta característica se desconocía en los años 50 lo que, lamentablemente, provocó daños irreparables en los fetos de mujeres embarazadas que fueron recetadas con una pastilla que contenía una mezcla de moléculas con quiralidad izquierda y derecha. Cuando se realizó un análisis detallado se encontró que, mientras que la molécula con quiralidad derecha quitaba las náuseas, la molécula con quiralidad izquierda deformaba a los fetos, llevándolos a la muerte.

A partir del año 2000 se inició el estudio de la quiralidad en la nanoescala, al demostrarse la existencia de actividad óptica causada por la quiralidad en nanopartículas de oro protegidas con ligandos orgánicos quirales². También se han hecho predicciones teóricas sobre la existencia de nanopartículas con 34, 55, 60 y 72 átomos de oro con quiralidad intrínseca, es decir, sin la necesidad de estar protegidas por moléculas quirales (ver Figuras 2 y 3); esto trae consigo modificaciones fisicoquímicas que resultan en nuevas propiedades con potencial para múltiples aplicaciones tecnológicas en nanodispositivos ópticos, nanomedicina, nanoelectrónica, etc.

Figura 2. Nanopartículas quirales de oro y su imagen espejo.

Figura 3. Nanopartículas quirales sin y con ligandos moleculares.

Por ejemplo, considerando la naturaleza quiral de moléculas, proteínas y células, en el ámbito de la nanomedicina (ver Figura 4) las nanopartículas metálicas quirales se pueden utilizar para propiciar o inhibir el crecimiento y proliferación celular, o para detectar  moléculas y proteínas asociadas a enfermedades como Alzheimer o Parkinson, primer paso para diagnosticar procesos degenerativos en el organismo humano.

Figura 4. La nanomedicina pasó de ser ciencia ficción [como en Viaje fantástico (1966), película protagonizada por Stephen Boyd y Raquel Welch sobre un grupo de científicos que se hacen diminutos para acceder en submarino al sistema sanguíneo de un colega y, así, remover un coágulo de sangre en el cerebro] a ciencia aplicada.

Experimentos que han puesto a prueba la respuesta inmune del cuerpo humano demuestran que esta es sensible a la quiralidad de nanopartículas de oro con cisteína (Xu et al., 2022), uno de los veinte aminoácidos que nos constituyen, lo cual indica que es posible regular el crecimiento de las células del sistema inmune utilizando la quiralidad en la nanoescala. Esto ha tenido efectos favorables en tratamientos de cáncer y como coadyuvante para la vacunación contra el virus de la influenza (Gao et al., 2024)  y el SARS-CoV-2.

Es contundente: gracias a la quiralidad en las nuevas propiedades fisicoquímicas de los nanomateriales, se pueden resolver problemas relacionados con la salud y la contaminación, o generar nuevas fuentes de energía. Es gratificante saber que, a lo largo y ancho de nuestro país, existen varios grupos de investigación interesados en desarrollar avances para descubrir, entender y utilizar las nuevas propiedades de los nanomateriales quirales.

Referencias

Gao, R., et al. (2024). Tapered chiral nanoparticles as broad-spectrum thermally stable antivirals for SARS-CoV-2 variants. Proceedings Of The National Academy Of Sciences, 121(13). https://doi.org/10.1073/pnas.2310469121

Xu, L, et al. (2022). Enantiomer-dependent immunological response to chiral nanoparticles. Nature, 601(7893), 366-373. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04243-2

1. Obtención de un compuesto a partir de otras sustancias.
2. En este contexto, un ligando es una molécula adsorbida (“ligada”) a la superficie de la nanopartícula metálica. Un ligando orgánico quiral es una molécula orgánica (compuesto que contiene átomos de carbono e hidrógeno, formando enlaces entre ellos y con otros elementos) con quiralidad, ya sea izquierda o derecha, que está adsorbida en la superficie de la nanopartícula metálica.