Imagine um conjunto de moléculas que consegue fabricar novas estruturas ainda mais complexas. Isso tem um nome: são as máquinas moleculares, um dos destaques da nanotecnologia.
A cada dia, os avanços dessa área ficam mais óbvios. Os cientistas já criaram estruturas que se replicam; formas dobráveis que coletam e liberam moléculas; nanobots que andam; motores moleculares; veículos minúsculos; e quem sabe até o potencial de dar energia a todas essas tecnologias.
Estes dispositivos são promissores, mas ainda bastante incompreendidos. A seguir, mostraremos o que separa a ciência real da ficção científica.
Um cenário apocalíptico
As bases dessa forma de nanotecnologia já existem há algum tempo, o suficiente para causar impacto na ciência moderna. Richard Feynman, o renomado físico americano e ganhador do Nobel, discutiu em 1959 a ideia de uma “síntese através da manipulação direta dos átomos”. Em retrospecto, essa palestra inspirou parte da visão de que átomos e moléculas são simples peças manipuláveis.
E K. Eric Drexler – primeiro Ph.D. do mundo em nanotecnologia – escreveu sobre a ideia de levar essa abordagem molecular para o campo atômico em seu livro de 1986, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Lá, ele idealizou uma “montadora” nanométrica que andasse por aí, criando cópias de si mesma e de outros objetos do tamanho de moléculas com uma precisão atômica; uma máquina que pudesse, no futuro, criar estruturas cada vez maiores e mais complexas.
Seria uma espécie de linha de montagem microscópica, fazendo sua produção a partir dos ingredientes mais básicos. Quando essas máquinas surgiram, na metade nos anos 80, era como se estivéssemos vivendo em um filme de ficção científica. Tanto que até mesmo Drexler reconheceu que o caminho mais seguro era ter cuidado com essas nanomáquinas.
Ele explica em Engines of Creation:
Imagine um replicador flutuando em um recipiente de compostos químicos, criando cópias de si mesmo. O primeiro replicador monta uma cópia em um milésimo de segundo, os dois replicadores então constroem mais dois no próximo milésimo de segundo, os quatro constroem outros quatro, e os oito constroem mais oito.
Ao final de dez horas, não existirão apenas trinta e seis replicadores, mas mais de 68 bilhões. Em menos de um dia, ele pesariam uma tonelada; em menos de dois dias, eles pesariam mais do que a Terra; em mais quatro horas, eles ultrapassariam a massa do Sol e de todos os planetas juntos — isso se o recipiente de compostos químicos já não tiver desaparecido há muito tempo.
Essa eficiência impiedosa poderia, segundo Drexler, tornar os nanorrobôs “superiores” a seres orgânicos, ao menos de um ponto de vista evolutivo — mas não necessariamente mais importantes. Além disso, ele sugere que essas bactérias robóticas poderiam matar as bactérias reais, reduzindo a biosfera a pó — ou a uma ‘gosma cinzenta’— em apenas alguns dias.
Esse cenário apocalíptico hipotético, no qual nanobots transformam nosso mundo em uma massa amorfa, era tão atraente para os céticos quanto a promessa da nanotecnologia era para os cientistas. No entanto, quase trinta anos se passaram, e nada disso aconteceu.
A base de tudo
A verdade é que os cientistas se mantiveram muito ocupados nos últimos trinta anos, criando uma série de estruturas minúsculas que se montam, desmontam, andam e até trabalham em conjunto. É claro que esse não é um trabalho fácil — construir algo a nível molecular exige uma precisão atômica — mas, com muita determinação, a química e a física chegaram a um ponto onde tudo é possível. Existe uma rica lista de máquinas moleculares, algumas inspiradas na natureza, outras em princípios da engenharia mecânica, para provar esse avanço.
As máquinas mais bem sucedidas foram construídas usando moléculas de DNA como base. Aqui, o DNA não é utilizado para carregar informações genéticas; ao invés disso, ele é considerado como um material de construção qualquer. Suas quatro bases (adenina, citosina, guanina e timina) se unem com mais ou menos força dependendo da sua configuração ao longo da cadeia de DNA, o que permite que os cientistas alterem a sua estrutura.
“Nós podemos manipular a associação de moléculas utilizando a paridade de bases Watson-Crick. As interações intermoleculares têm uma geometria bem definida”, explica o professor Ned Seeman, um nanotecnólogo do Departamento de Química da Universidade de Nova Iorque que é reconhecido como o criador da nanotecnologia de DNA. “O DNA é como o Lego.”
A matéria essencial da vida tem as características necessárias para se dobrar, se unir, se reconstruir e crescer — o que a torna perfeita para criar estruturas nanométricas. Ao criar cadeias de DNA com sequências de bases cuidadosamente manufaturadas, a ligação entre essas cadeias pode ser manipulada, resultando em ligações customizadas e estruturas exóticas.
Primeiramente, os modelos são criados no computador para avaliar quais moléculas são necessárias; as escolhidas são então sintetizadas na ordem em que elas serão encaixadas — igual a um kit de Lego.
Não é necessário montar
Mas diferente do Lego, o DNA – quando imerso em uma solução adequada – pode formar estruturas sem qualquer intervenção humana. As interações entre cadeias são controladas pelas sequência de bases: alguns pontos se atraem naturalmente por outros, o que resulta em um glorioso processo de automontagem. As ideias de Drexler sobre as montadoras moleculares pareciam ficção científica, mas essas moléculas são mesmo capazes de gerar estruturas complexas.
O laboratório de Ned Seeman tem um rico histórico de criação de objetos complexos e capazes de auto-montagem – por exemplo, pequenos cristais gerados a partir de uma simples poça de moléculas de DNA. Seus laboratórios já usaram a técnica para criar cristais em duas e três dimensões, assim como uma grande variedade de formas geométricas.
Existem muitos outros pesquisadores trabalhando na área. Por exemplo, Andrew Turberfield, da Unieversidade de Oxford, usa moléculas de DNA para criar pequenos tetraedros, como o mostrado acima.
Misturando quatros tipos diferentes de DNA, cada um programado para se unir a outro de formas pré-determinadas, seus pesquisadores podem criar tetraedros com sete vértices nanométricas. Essas estruturas podem ser utilizadas para prender proteínas a uma estrutura enviada para alguma parte do corpo que necessita de cuidados médicos — da mesma forma que um caminhão de frete a nível molecular.
Mova-se, molécula
Mas essas moléculas modificadas não se contentam em apenas criar novas estruturas — elas também se movem. Vários laboratórios criaram moléculas que andam como humanos ou animais. Sintetizadas a partir do DNA, essa moléculas são capazes de atravessar um caminho pré-determinado, apesar de até recentemente não se saber se as moléculas estariam ‘pulando’ ou ‘flutuando’ até o seu destino — seus passos, cada um com cerca de um nanometro de distância, são difícieis de detectar com técnicas tradicionais.
Felizmente, pesquisadores do Departamento de Química da Universidade de Oxford inseriram arsênico no DNA dessas moléculas, o que tornou possível rastreá-las enquanto elas caminham — provando que essa moléculas fazem, de fato, o que foram criadas para fazer.
A engenharia mecânica exerce uma grande influência na criação desses monstrinhos — vide a popularidade do termo máquinas moleculares. Até os motores — um dos objetos que costumamos ignorer no mundo real — já possuem uma versão molecular.
O primeiro motor molecular foi criado em 2011; o mais veloz deles foi produzido no ano passado. O menor motor existente gira em torno de um átomo de enxofre equilibrado sobre uma superfície de cobre, alcançando uma velocidade de 7.200 rotações por minuto. O mais veloz deles, composto por três componentes moleculares, alcança até 18.000 rotações por minuto — quase a mesma velocidade de um motor a jato.
É possível que o exemplo mais complexo de máquina molecular seja, no entanto, o nano-carro, criado por uma equipe de pesquisadores com base na Holanda. Composto de uma estrutura central com pás articuladas em cada um dos seus quatro cantos, o mini-carro se move com pulsos de elétron, dando uma meia-volta com cada uma de suas hélices. Essa meia-volta coloca a molécula em uma posição artificial, forçando suas ligações a completar a volta para alcançar o equilíbrio.
Para se manter em movimento, o carro precisa de um pulso de elétrons a cada meia-volta. A invenção pode não estar batendo nenhum recorde de velocidade — é preciso 10 pulsos de elétrons para movê-lo por 6 nanômetros — mas não podemos negar que ele é, de fato, um carro molecular.
Energia alternativa
Todos esse avanços levantam uma questão por vezes deixada de lado: como dar energia para mover essas máquinas moleculares? “O grande desafio do ramo continua a ser a propulsão de nanomotores sintéticos”, explica Dr. Wei Gao, do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação da Universidade da Califórnia, Berkeley. “Novos nanomotores capazes de percorrer os interiores de animais, em especial a corrente sanguínea, ainda existem apenas em sonho.”
Os motores e carros descritos acima usam o fluxo de elétrons como combustível — normalmente transmitido através de um microscópio eletrônico para uma maior precisão. Mas essa não é uma fonte de energia viável fora de um laboratório, e certamente não dentro de um corpo humano, o que significa que pesquisadores como Gao vem desenvolvendo alternativas.
Ele criou, recentemente, um novo tipo de tubo de polímero de 20 mícrons de comprimento — mostrado acima — coberto com zinco. Quando o tubo é inserido em um ambiente ácido, como o estômago, o zinco reage, gerando bolhas de hidrogênio, que por sua vez o impulsionam para frente com a velocidade necessária para ele se alojar no tecido — transferindo uma boa quantidade de drogas no impacto.
É claro que essa é uma forma de propulsão muito rudimentar, mas ela prova que as estrutura moleculares podem utilizar o mundo externo para gerar a energia necessária para alimentá-las. Gao explica:
Nanomotores sintéticos exigem combustíveis químicos externos, o que pode dificultar seu uso. Os nanomotores de zinco são o primeiro exemplo de nanomotores que utilizam o mundo externo como combustível. Além disso, nós desenvolvemos nanomotores de magnésio biodegradáveis, que podem usar amostras de água com íons de cloreto como combustível. Imagino que os nanomotores do futuro serão movidos a diversos biofluidos, como por exemplo o sangue humano.
Então há esperança para a linha de produção molecular de Drexler? “Nós já comprovamos isso”, explica Seeman, como se essa questão nunca estivesse em aberto. Alguns anos atrás, o laboratório de Seeman anunciou o que seria a primeira linha de produção molecular. Quatro nanorrobôs de DNA se moviam por uma superfície especial, coletando partículas de ouro e interagindo entre si enquanto se transformavam em oito produtos diferentes. O resultado final foi, admitidamente, oito diferentes emaranhados de DNA e partículas de ouro, mas o conceito era irresistível.
O progresso não parou por aí. Outras linhas de produção foram criadas: em uma delas, a máquina, ao invés de criar uma bagunça de DNA, junta moléculas menores para formar estruturas maiores e mais complexas que podem por sua vez ser utilizadas para outras aplicações. Esses motores moleculares se movem graças à sua habilidade de controlar os catalisadores quirais — moléculas que aceleram outras reações, dependendo da orientação dos átomos dentro de uma molécula mais complexa.
Máquinas moleculares estão sendo utilizadas em laboratórios de todo o mundo para alterar e montar outras moléculas, criando estruturas que podem ser utilizadas para outros propósitos.
Da ficção à realidade
Em outras palavras: nós estamos quase lá. Mas ao invés do ensopado primordial de nanobots produzindo uma gosma cinzenta, a realidade do ramo de produção molecular é mais sutil, organizada e modesta. Não é de se supreender que o próprio Drexler tenha alterada sua previsão sobre o futuro da nanotecnologia.
No seu livro de 2013, Radical Abundance, ele escreve sobre os “microblocos”. Esses, segundo ele, fazem parte de uma linha de montagem inspirada nas bonecas russas, onde uma cascata de milhares de células robóticas minúsculas fabricam novos componentes em escala molecular, transformando esses componentes em robozinhos cada vez maiores até a criação de um produto final.
Dá para imaginar esse processo como uma série de impressoras 3D, a primeira funcionando na escala molecular e cada uma delas criando componentes para a próxima escala, imprimindo estruturas cada vez maiores.
É claro que, com a complexidade, vem um grande desafio — mas considerando a distância que percorremos, tais obstáculos não devem nos assustar. “A própria vida só é possível por causa da amálgama de máquina moleculares dentro dos nossos corpos, que trabalham em ambientes turbulentos com muito pouco combustível, mas completam tarefas muito complexas, do transporte viral à flexão de músculos”, explica o Professor Charles Sykes, do Departamento de Química da Universidade Tufts. “A natureza provou que muitas coisas incríveis podem acontecer”.
Segundo os acadêmicos, há apenas um empecilho: “o maior obstáculo é o problema de sempre – dinheiro”, diz Seeman.
As ambições proféticas das máquinas moleculares dos anos 80 ficaram mais brandas. Ao invés de correr por aí criando — ou destruindo — ao seu bel-prazer, as máquinas moleculares do futuro serão controladas e guiadas por nós. É algo muito menos alarmista, e muito mais útil. E isso, ao que parece, é o que acontece quando a ficção científica se torna um fato científico.
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