Todos los procesos moleculares sensibles a la luz que ocurren en nuestro planeta se han desarrollado bajo ciclos constantes de luz y oscuridad. Mientras que la luz suele aportar energía que pueden absorber las moléculas fotosensibles, los periodos de oscuridad permiten que esta energía acumulada se transforme de diferentes formas y en procesos útiles. Por ejemplo, en algunos procesos biológicos dependientes de la luz, como la visión, las fases de oscuridad permiten la reorganización molecular y la recuperación estructural perdida después de la absorción de luz.
Inspirándose en este comportamiento natural, un equipo internacional liderado por el investigador del Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares de la Universidade de Santiago de Compostela (CiQUS-USC), Javier Montenegro, ha demostrado que esta omnipresente alternancia entre iluminación y oscuridad no solo controla los complejos procesos que ocurren en diferentes sistemas biológicos, sino que también se aplica y dirige la evolución estructural de los sistemas moleculares más pequeños y sencillos que se pueden replicar en un laboratorio.
El estudio, cuyo primer autor es el Dr. Alejandro Méndez-Ardoy, investigador del Instituto de Investigaciones Químicas (CSIC-Universidad de Sevilla), y en el que también participan Patricia Fulías Guzmán y Adrián Sánchez Fernández (CiQUS), junto con personal del Stratingh Institute for Chemistry de la Universidad de Groninga, explora cómo pequeños péptidos fotosensibles son capaces de ensamblarse y reorganizarse en respuesta a la energía lumínica.
Los resultados muestran que, al suministrar esta energía en ciclos, como el día y la noche, la oscuridad no actúa simplemente como una ausencia de energía o estímulo, sino como una fase activa que facilita y acelera la evolución de las estructuras moleculares hacia configuraciones más favorables.
“El trabajo demuestra que los periodos de oscuridad permiten nuevos caminos o formas alternativas de evolución estructural más rápidas que si la luz está encendida todo el tiempo”, explica el investigador Oportunius Javier Montenegro. “Hemos demostrado que incluso en los sistemas moleculares fotosensibles más pequeños y sencillos, aunque es la absorción de energía lumínica la que impulsa la formación de estructuras más complejas y autoensambladas, son las fases de reposo las que permiten al sistema reorganizarse y acceder a las arquitecturas más estables que están restringidas si la iluminación es continua”.
Para estudiar este fenómeno, el equipo diseñó un sistema molecular basado en péptidos fotosensibles capaces de cambiar de estado químico en respuesta a la luz. Estos compuestos contienen una unidad fotoactiva que alterna entre dos formas moleculares con propiedades diferentes: una forma más soluble en agua en oscuridad y otra más hidrofóbica bajo iluminación. Ese cambio altera las interacciones entre moléculas y desencadena procesos de autoensamblaje supramolecular.
Cuando el sistema se expone a luz visible, las moléculas comienzan a organizarse espontáneamente formando cintas helicoidales nanométricas. Sin embargo, al interrumpir la iluminación, esas estructuras se relajan, colapsan parcialmente y comienzan a desensamblarse.
El hallazgo clave del trabajo es que, si la luz se suministra en ciclos y vuelve constantemente antes de que el sistema se desmonte completamente, las estructuras parcialmente relajadas sirven como intermediarios para evolucionar hacia una nueva arquitectura: nanotubos supramoleculares más uniformes y estables.
“Este comportamiento puede relacionarse con ciertos procesos biológicos más complejos y evoca la importancia que los ciclos de oscuridad pudieron tener en la organización y la ganancia de complejidad estructural de los primeros sistemas fotosensibles presentes en la Tierra”, señala Montenegro.
“Los ciclos de luz y oscuridad generan una especie de aprendizaje estructural: el sistema explora distintas rutas de organización hasta seleccionar las configuraciones más robustas durante la ausencia de energía”.
El estudio demuestra además que la alternancia periódica entre luz y oscuridad resulta más eficaz que la iluminación continua para promover esa transición estructural. Durante las fases oscuras, las moléculas experimentan procesos de relajación térmica y reorganización interna que reducen defectos y favorecen un empaquetamiento más ordenado.
Como resultado, el sistema evoluciona hacia nanotubos con mayor estabilidad y un grado superior de organización molecular.
Más allá de su interés fundamental, estos resultados abren nuevas posibilidades para el desarrollo de materiales dinámicos capaces de adaptarse a estímulos externos. Comprender cómo las oscilaciones energéticas controlan la evolución de sistemas supramoleculares podría contribuir al diseño de materiales inteligentes, nanodispositivos o sistemas biomiméticos con propiedades regulables mediante ciclos de energía.
“El trabajo aporta una nueva perspectiva sobre cómo la discontinuidad de la energía puede influir en la complejidad de cualquier sistema molecular”, concluye el investigador de la Universidade de Santiago de Compostela. “No solo importa la presencia de luz o energía; también importa cuándo desaparece”.
El estudio ha sido publicado en Angewandte Chemie International Edition.
El CiQUS recibe apoyo financiero de la Unión Europea a través del Programa Galicia FEDER 2021-2027 y cuenta con el reconocimiento CIGUS de la Xunta de Galicia, que acredita la calidad e impacto de su investigación.
Referencia
A. Méndez-Ardoy, N. Cissé, A. Sánchez-Fernández et al., Angewandte Chemie International Edition (2026), e4843934.
