Todos os procesos moleculares sensibles á luz que ocorren no noso planeta desenvolvéronse baixo ciclos constantes de luz e escuridade. Mentres que a luz adoita achegar enerxía que poden absorber as moléculas fotosensibles, os períodos de escuridade permiten que esta enerxía acumulada se transforme de diferentes formas e en procesos útiles. Inspirándose neste comportamento natural, un equipo internacional liderado polo investigador do Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares da USC (CiQUS) Javier Montenegro demostrou que esta alternancia non só controla os complexos procesos que ocorren en diferentes sistemas biolóxicos, senón que tamén se aplica e dirixe a evolución estrutural dos sistemas moleculares máis pequenos e sinxelos que se poden replicar nun laboratorio.
O estudo, asinado por personal do CiQUS, do Instituto de Investigacións Química (CSIC – Universidades de Sevilla) e do Stratingh Institute for Chemistry (Universidade de Groninga), explora como pequenos péptidos fotosensibles son capaces de ensamblarse e reorganizarse en resposta á enerxía lumínica. Por exemplo, nalgúns procesos biolóxicos dependentes da luz (como a visión), as fases de escuridade permiten a reorganización molecular e a recuperación estrutural perdida despois da absorción de luz.
Os resultados mostran que ao fornecer esta enerxía en ciclos, como o día e a noite, a escuridade non actúa simplemente como unha ausencia de enerxía ou estímulo, senón como unha fase activa que facilita e acelera a evolución das estruturas moleculares que se forman cara a configuracións máis favorables.
Novos camiños na escuridade
“O traballo demostra que os períodos de escuridade permiten novos camiños ou formas alternativas de evolución estrutural mais rápidas que se a luz está acendida todo o tempo”, explica o investigador Oportunius, Javier Montenegro. O investigador engade: “Demostramos que mesmo nos sistemas moleculares fotosensibles mais pequenos e sinxelos, aínda que é a absorción de enerxía luz a que impulsa a formación de estruturas mais complexas e autoensambladas, son as fases de repouso as que permiten ao sistema reorganizarse e acceder ás arquitecturas máis estables que están restrinxidas se a iluminación é continua”.
Para estudar este fenómeno, o equipo deseñou un sistema molecular baseado en péptidos fotosensibles capaces de cambiar de estado químico en resposta á luz. Estes compostos conteñen unha unidade fotoactiva que alterna entre dúas formas moleculares con propiedades diferentes: unha forma máis soluble en auga en escuridade e outra máis hidrofóbica baixo iluminación. Ese cambio altera as interaccións entre moléculas e desencadea procesos de autoensamblaxe supramolecular.
Cando o sistema se expón a luz visible, as moléculas comezan a organizarse espontaneamente formando cintas helicoidais nanométricas. Con todo, ao interromper a iluminación, esas estruturas reláxanse, colapsan parcialmente e comezan a desensamblarse. O achado clave do traballo é que, se a luz se fornece en ciclos e volve constantemente antes de que o sistema se desmonte completamente, as estruturas parcialmente relaxadas serven como intermediarios para evolucionar cara a unha nova arquitectura: nanotubos supramoleculares máis uniformes e estables.
Unha mirada ao pasado dos sistemas fotosensibles
“Este comportamento pode relacionarse con certos procesos biolóxicos máis complexos e evoca a importancia que os ciclos de escuridade puideron ter na organización e a ganancia de complexidade estrutural dos primeiros sistemas fotosensibles presentes na Terra”, sinala Javier Montenegro. “Os ciclos de luz e escuridade xeran unha especie de ‘aprendizaxe estrutural’: o sistema explora distintos roteiros de organización ata seleccionar as configuracións máis robustas durante a ausencia de enerxía”, apunta o investigador.
O estudo demostra ademais que a alternancia periódica entre luz e escuridade resulta máis eficaz que a iluminación continua para promover esa transición estrutural. Durante as fases escuras, as moléculas experimentan procesos de relaxación térmica e reorganización interna que reducen defectos e favorecen un empaquetamento máis ordenado. Como resultado, o sistema evoluciona cara a nanotubos con maior estabilidade e un grao superior de organización molecular.
Novas posibilidades
Máis alá do seu interese fundamental, estes resultados abren novas posibilidades para o desenvolvemento de materiais dinámicos capaces de adaptarse a estímulos externos. Comprender como as oscilacións enerxéticas controlan a evolución de sistemas supramoleculares podería contribuír ao deseño de materiais intelixentes, nanodispositivos ou sistemas biomiméticos con propiedades regulables mediante ciclos de enerxía.
“O traballo achega unha nova perspectiva sobre como a descontinuidade da enerxía pode influír na complexidade de calquera sistema molecular”, explica o investigador do CiQUS, e conclúe: “Non só importa a presenza de luz ou enerxía; tamén importa cando desaparece”.
