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Nudos moleculares o la Química anudada

En entradas anteriores hemos hablado de la teoría de nudos, tanto desde el punto de vista matemático como en sus aplicaciones a la biología. En esta hablaremos de las relaciones de los nudos con la química.

Una tabla de nudos

Un nudo se describe matemáticamente como una curva cerrada embebida en el espacio tridimensional y que no tiene autointersecciones. El nudo más simple sería un círculo. Uno de los grandes problemas en la llamada Teoría de Nudos es su representación plana, y como no, la clasificación, en el sentido de que dos nudos son equivalentes si se puede transformar uno en otro sin alterar su topología (las definiciones precisas se pueden encontrar aquí: Clasificando nudos).

La cantidad de nudos es enorme, y si usamos los cruces en su representación plana, vemos que con uno o dos cruces no salimos topológicamente del nudo no anudado (el círculo), hay un nudo con tres cruces, uno con cuatro, dos con cinco, 165 con 10 cruces, y las cifras van aumentando de una manera exponencial.

Un nudo molecular

Vayamos ahora con los químicos. Su santo Grial sería poder construir cualquier tipo de nudo molecular, poder convertirse en auténticos “señores de los nudos”. El motivo es que los nudos moleculares pueden permitir diseñar materiales con propiedades específicas, o incluso, algunos podrían servir como conductores de medicamentos moleculares a los lugares del cuerpo que lo necesitaran.

Un nudo molecular es un análogo microscópico a un nudo habitual. Se construyen con hilos alrededor de iones metálicos, de manera que tienen sus cruces adecuados, y se cierra el nudo mediante algún catalizador químico. Es como tejer un tejido, pero usando moléculas. Un nudo molecular se denomina en inglés knotane, tal y como fue propuesto por Oliver Safarowsky, Martin Nieger, Roland Fröhlich y Fritz Vögtle en 2000. Por supuesto, aparecen también en la naturaleza, por ejemplo, las moléculas de ADN y de ARN o las proteínas (veáse la entrada La topología del ADN http://www.madrimasd.org/blogs/matematicas/2019/04/07/146405)

De hecho, ha sido la complejidad y utilidad de estos nudos biológicos uno de los motivos por los que los químicos se han lanzado a la construcción de los nudos moleculares. La primera sintésis de un objeto con topología no trivial se produjo en 1960 por Wassermann,  y eran dos anillos interconectados. Después se han conseguido enlaces más complejos, como los anillos de Borromeo y muchos otros, incluyendo el nudo de trébol (1980). Este excelente artículo Molecular knots in biology and chemistry de Nicole C H Lim y Sophie E Jackson es un extraordinario repaso a la situación hasta 2015. Este otro, Molecular Knots, de Stephen D. P. Fielden, David A. Leigh y Steffen L. Woltering  completa y actualiza los resultados.

El nudo de David Leigh y colaboradores

Recientemente se han conseguido los nudos moleculares más complejos topológicamente hasta el momento: un nudo con 8 cruzamientos y un compuesto con nueve, precisamente por David A. Leigh y sus colaboradores.

Finalizamos esta entrada refiriendo al lector a este interesante artículo de opinión de Emilio M. Pérez en Anales de Química, Los nudos y el brexit, donde se da una valiosa información sobre David Leigh y su equipo.

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Manuel de León (CSIC, Fundador del ICMAT, Real Academia de Ciencias, Real Academia Canaria de Ciencias, Real Academia Galega de Ciencias).

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