CAPÍTULO CUARTO

Bionanomaquinas: Nanotecnología Natural

A. Amadeus Castro V.Ingeniero Químico,

Arte y Ciencia, Buinaima-Equipo de Nanotecnociencias aacastrov@unal.edu.co

http://www.arteyciencia.gq.nu

“La naturaleza establece una transición tan gradualentre lo inanimado y lo animado que las fronteras que separan

ambos reinos son indistintas y ambiguas”“La naturaleza no hace nada en vano”

Aristóteles Estagirita

4.1 INTRODUCCION

Si se permitiera definir a la nanotecnología como “el conjunto de técnicas que se utilizan para manipular la materia en la escala de los átomos y las moléculas”, podría, quizás, un lector profano en estos temas percibirse a tal ciencia como entrada a una nueva era de avances científicos y tecnológicos, si considerara que esto nunca había sido posible por el hombre.

Para la naturaleza, la nanotecnología es tema viejo, y –sin duda alguna– una práctica fácil. Dicho ´conjunto de técnicas´ existe desde el instante en que la vida se hizo realidad sobre nuestro planeta. Los primeros aminoácidos se agruparon en proteínas y conformaron desde épocas arcáicas el ejemplo elemental de nanomáquina. En la actualidad, cada una de nuestras funciones vitales está gobernada y compuesta por el encadenamiento de movimientos imperceptibles que son ejecutados por elementos nanoescalares. Tal actividad la proporcionan motores moleculares, brazos móviles, compuertas, sensores y otros tipos de nanoestructuras, cuyos movimientos o desplazamientos son amplificados tantas veces como sea necesario, para lograr movimientos, reacciones o sensaciones macroscópicas perceptibles. Esta ciencia primitiva es la llave de la nanotecnología y la principal herramienta al alcance nuestro. Pocas veces meditamos sobre cuanto ocurre continuamente en nuestro interior en el ámbito atómico. Allí se presenta la manipulación individual de átomos y moléculas en cada instante: luces, motores, sensores, baterias, mensajeros, bombas, celdas solares y otros dispositivos más que han permanecido durante décadas en la imaginación de los hombres de ciencia.

Existen bionanomáquinas que cumplen aquellas funciones tan anheladas por quienes desean hacer sintéticamente nanomáquinas (biología sintética) o al menos realizar una

integración de partes vivas y no vivas mediante nanotecnología (bionanotecnología). La bionanotecnología o nanobiotecnología (¡como prefiera decirse!), es una rama de la nanotecnociencia que ha basado su crecimiento en el uso de estructuras biológicas tales como el ADN, proteínas, y toda clase de moléculas orgánicas; ya sea en forma individual, ensambladas, o en combinación con materiales inorgánicos y compuestos metálicos. Esta ingeniería de nanopartículas requiere la imitación de los ambientes típicos en un ser vivo (agua, flujo de iones, uso óptimo y racional de la energía) para la reproducción o invención de bionanodispositivos, los cuales son el paso fundamental para el éxito de la nanomedicina.

La creencia de que una bionanomáquina es, o se asemeja, a una ‘nanomáquina viva’ puede ser un error desde su propia concepción, ya que las bionanomáquinas no son entes en busca de sustento, sino que requieren interactuar con seres vivos u otras bionanomáquinas para poder desempeñar las tareas específicas que son capaces de realizar. Las bionanomáquinas sintéticas han sido creadas (diseño e ingeniería) para que permanezcan ‘programadas’ con tareas encomendadas; no pueden (¡al menos hasta ahora!), decidir por sí mismas la función a cumplir. Sólo una visión arriesgada y futurista podría permitirnos imaginar que es posible recrear células completas mediante bionanotecnología. Por ahora solo se imitan algunas funciones. Las nanomáquinas vivas tendrán que esperar una nueva revolución científica

4.2 La supervivencia de las bionanomáquinas

En el nivel atómico, en el cual se presentan las interacciones de las bionanomáquinas, la consideración de animal o vegetal desaparece, porque el conjunto es el que conlleva a la forma. Es natural que una bionanomáquina no tenga género y especie, es simplemente una estructura. Tomemos por ejemplo a los bacteriófagos, unos virus altamente indeseables en la industria lechera, pues atacan y virtualmente ‘se comen’ a las bacterias que cumplen tareas de fermentación y producción de metabolitos en la fabricación de quesos, yoghurt, etc. El bacteriófago es un virus, una cadena de ADN (que contiene ‘su’ información genética) rodeada por una coraza protectora de proteínas. Por sí mismo es inerte, pero cuando entra en contacto con una bacteria, la infecta con su ADN y fuerza a la célula a replicar su información –incluidas las proteínas de su coraza protectora– y de esta manera se reproduce, tal como lo haría un organismo vivo1.

La coraza proteínica del bacteriófago (denominada cápside) está ‘diseñada’ para encontrar células bacteriales. Este diseño es sencillamente una distribución de grupos químicos superficiales que poseen actividad electrónica, afinidad química y complementariedad geométrica respecto de los grupos químicos que hay en la pared celular

1 Para efectuar la infección, un virus debe interactuar con los receptores extrernos del huésped y acoplarse a ellos. En nanbiotecnología, es posible intervenir en este proceso e impedir que tal fenomeno suceda. Por ejemplo, se ha encontrado que nanoparticulas de plata (1-10 nm) pueden tambien interactuar con las glicoproteinas receptores del virus VIH-1, fijarse a ellas e inhibir el virus, de forma que este ya no puede infectar a un posible huesped.

de los huéspedes potenciales. Los bacteriófagos no son exclusivos de las células lácteas. Por ejemplo: las bacterias patógenas también son atacadas por los bacteriófagos y pasan de ser victimarios a víctimas.

(A) (B) (C)

Figura 1. Estructura de la coraza proteínica del virus de polio (A), influenza (B) y bacteriófago φX174 (C)2. En este último virus se muestra separado uno de sus 60 capsómeros. Fuente: adaptado de www.rcsb.org (ver notas al final)

EL bacteriófago phiX174 está diseñado para atacar a las bacterias de Escherichia Coli, su coraza se compone de 60 módulos idénticos que al ensamblarse conforman un icosaedro; en cada módulo hay puntas que sirven de ancla con la célula víctima. Cuando el virus se ha adherido, se introduce y libera sus 11 genes. La célula desafortunada se encarga de reproducir el ADN y los módulos de su coraza (capsómeros). Éstos módulos están compuestos por proteínas, los cuales tienen intencionalmente grupos químicos con la ya mencionada actividad, afinidad y complementariedad. Estas características conllevan a un plegamiento espontáneo debido a atracciones y repulsiones químicas que resultan en la conformación de módulos. Cada uno de estos módulos o capsómeros muestra en su ‘cara’ externa los grupos químicos que son afines al ADN que deben proteger y adicionalmente les permitirá orientarse y acercarse a los demás módulos hasta formar el icosaedro protector. La figura 1-C esquematiza dicha coraza.

Es frecuente que la naturaleza pueda replicar nanomáquinas o componentes de éstas. Por ende, el objetivo ambicioso de quienes dedican sus esfuerzos a su fabricación es dar uso industrial a la plataforma existente de manufactura de moléculas específicas o bionanomáquinas. Los siguientes son algunos ejemplos de nanomáquinas biológicas o híbridas de material biológico:

1. El ADN de algunos virus puede ser modificado para que, al atacar a sus células huéspedes, induzcan la construcción de nano-alambres. Se espera que estos filamentos sean útiles como contactos en circuitos electrónicos de alta velocidad.

2 El símbolo φ se pronuncia ‘fi’

2. El avance de los inconvenientes del efecto invernadero ha motivado los intentos de creación de bacterias modificadas (ADN artificial) para absorber y fijar o transformar el dióxido de carbono excedente en la atmósfera.3. Desde 2005, existen técnicas automatizadas para crear moléculas de ADN, lo cual permite crear pequeños genomas. Esto es, a su vez, una muestra de que las bionanomáquinas pueden programarse para cualquier función, tanto benéficas, como destructivas.

El 'virus del simio' (SV-40) es otro ejemplo de la manera de proceder de una bionanomáquina. En este oscuro caso, la consecuencia es la muerte de una célula. Este virus tiene una coraza de 360 unidades en la que mantiene una especie de 'microcromosoma' (de por sí no es micro sino nano) que, en un ciclo de vida normal del virus, entra a la célula, estimula la generación de nuevos virus y destroza la célula huésped mientras las copias salen de ella. Este virus ataca células de primates (de ahí su nombre), pero cuando ataca a otros mamíferos, el virus ya no es capaz de reproducirse. Aún así, sigue siendo muy amenazante, porque la secuencia de aminoácidos que indican el inicio de la codificación de sus copias (Tiamina-Adenina-Tiamina-Adenina) puede generar una cadena de ARN mensajero y que ésta ordene la elaboración de una molécula de antígeno T. Este bionanodispositivo, eventualmente, puede convertir la célula huésped en una célula cancerosa porque bloquea el normal funcionamiento del control de crecimiento. Lo anterior es una muestra de la especificidad de este tipo de bionanomáquinas. Únicamente son capaces de reproducirse dentro de la célula que pueden reconocer y penetrar.

Existen virus más pequeños y más simplificados, como el del polio o el de la influenza (figura 1), los cuales no contienen ADN sino una cadena de ARN mensajero. Ésta 'quita' el control a la célula, y le ordena operar para crear copias del material necesario para reproducir el virus. Estas bionanomáquinas se han especializado en atacar células humanas, pero con una diferencia, el poliovirus solo puede atacar una vez. Típicamente genera un malestar similar a una gripa que es combatida gracias a la acción de anticuerpos, aunque en 1 de cada 100 casos puede extender su efecto a las células nerviosas que controlan músculos y causar la conocida parálisis denominada 'polio-mielitis'.

Los diferentes virus de la influenza pueden atacar a una persona repetidas veces durante su vida. En cada ocasión, los linfocitos (otras bionanomáquinas encargadas de generar anticuerpos) producen los anticuerpos que bloquean los receptores proteínicos del virus; pero en una próxima ocasión, podríamos ser víctimas de otra forma de virus de influenza (rinovirus) o que sea casi el mismo virus 'escondido' tras mutaciones en su coraza.

100 billones de formas de aniquilar una bionanomáquina.

Para una bionanomáquina que busca a sus víctimas ‘a tientas’, la mejor forma de evitar su acción es bloquear sus ‘sentidos’. Éstos, como hemos dicho, son proteínas con actividad electrónica, afinidad química y geometría complementaria con las proteínas superficiales de las células. Existen otras proteínas que pueden acoplarse a los virus e

impedir que puedan disponer de material de construcción y trabajo gratuito. Estas bionanomáquinas son los anticuerpos, los cuales recorren permanentemente el torrente sanguíneo en busca de un virus o una bacteria a la que corresponda, en primera instancia, su afinidad química. Los anticuerpos son voluminosos, en comparación con los receptores de los virus, y ocasionan un gran estorbo, de manera tal, que con menos de una decena de éstos se puede cumplir la tarea de inhibir (figura 2). En el caso de bacterias, los anticuerpos se fijan y funcionan como avisos de ‘alerta’, para que el sistema inmunológico actúe.

(A) (B)

Figura 2. El virus utiliza sus receptores proteínicos para contactar a su desafortunado huésped (A) e introducirse, pero si los receptores se bloquean con anticuerpos, el virus no puede utilizar huéspedes para reproducirse (B) y resulta inhibido permanentemente. Fuente: adaptado de www.rcsb.org (ver notas al final)

Cuando una molécula extraña se introduce a nuestro cuerpo, los linfocitos buscan en su biblioteca personal y empiezan a generar los anticuerpos adecuados para bloquearla. Del mismo modo, si de alguna manera este tipo de bloqueos o avisos moleculares pueden elaborarse artificialmente para evitar que algún proceso biológico se desarrolle, se está creando y trabajando bionanotecnología. Actualmente se obtienen anticuerpos producidos en conejos y ratones que son de uso comercial3.

Por lo anterior, se puede observar en la bionanotecnología una poderosa herramienta para combatir enfermedades. Por ejemplo: si se fusiona un anticuerpo con proteínas tóxicas (toxinas), se obtiene una inmunotoxina. La inmunotoxina puede ser diseñada (programada) para ubicar células de tipo canceroso, adherirse a ellas y utilizar la proteína tóxica para matar individualmente a la célula. El uso de este tipo de bionanomáquinas es efectivo y permite reducir la intensidad y efectos colaterales de la quimioterapia en pacientes enfermos de cáncer.

3 El precio de un anticuerpo es aún muy elevado, pues una masa de 0.1 miligramos (100 microgramos) se obtiene desde 60 hasta 350 dólares según la dificultad de obtención. Otro valor de referencia que puede considerarse al entrar en temas posteriores, es el costo de una secuencia de ADN purificada, la cual puede comercializarse desde 3 hasta 150 dólares por microgramos.

Un anticuerpo puede ser diseñado y sometido a ingeniería, de forma que se le ligue una proteína luminiscente tóxica, una molécula coloreada o elemento radioactivo que sirva de sensor (nanosensor), o transmisor. Estos nanoelementos vislumbran un futuro tecnológico y médico en el cual será posible monitorear y perseguir células intrusas y enfermas, nuevos virus, o encontrar utilidad como partes de las anheladas nanomáquinas que hagan realidad algunas esperanzas, como evitar la descalcificación que presentan los astronautas cuando permanecen largos tiempos en ausencia de gravedad. En este panorama, una molécula diseñada para monitorear el estado de la calcificación de huesos y dar aviso a hormonas u otras nanomáquinas que empezarían a proliferarse y retornar a valores normales la estructura ósea. Los anticuerpos son los mejores nanosensores, conforman aproximadamente el 20% de las proteínas del plasma sanguíneo, son virtualmente capaces de reconocer cualquier molécula y constituyen los potenciales ojos, oídos y olfato de nuestro universo interior y de las nanomáquinas del futuro próximo; en verdad no tan próximo, pues en la actualidad el hombre se vale de nanosensores para verificar algunas tareas. Un ejemplo cercano es el de las pruebas de embarazo: éstas contienen un anticuerpo con moléculas de selenio adheridas a su estructura. Por sí mismas no nos dicen nada, pero cuando encuentran moléculas de gonadotropina coriónica –una hormona presente en la orina de mujeres embarazadas– el conjunto se colorea de rojo brillante y señala visiblemente, una condición que está bajo la tutela del nanomundo.

4.3 Bionanomotores y bombeo de iones

En nuestro macrocosmos, el movimiento artificial se originó mediante las palancas y las ruedas. Ya decía en épocas precristianas un reconocido ingenio griego: “dadme un punto de apoyo y moveré el mundo”. Con el advenimiento de los siglos XIX y XX se han popularizado los motores y en la práctica actual no hay aplicación tecnológica que los excluya, así como en el nanocosmos proliferan los bionanomotores.

Desde el inicio de la vida –hasta finales del siglo XX– se ignoró que cada microorganismo que se desplaza por medio de flagelos utiliza nanomotores en beneficio propio, al igual que todo ser viviente o proceso vital. Esta bionanomáquina es la ATP-Sintetasa (también nombrada ATP-asa); una molécula que puede hacerse funcionar (girar), incluso fuera de un ser vivo, y es la máquina energéticamente más eficiente que hasta el momento se conozca.

En el motor rotatorio de ATP4 se combinan, en realidad, dos mecanismos que alternadamente sirven el uno al otro como generador de movimiento. El más pequeño es impulsado por iones (potasio o hidronio) y está comunicado con un motor algo más grande que se impulsa por ruptura y expulsión de moléculas de ATP. El enlace fosfato es altamente energético y su creación debe ser asistida, cosa que se favorece por el movimiento rotacional.

En el primer motor (el inferior si de alguna manera puede llamársele), toda la molécula está inserta en una membrana grasa, de forma que cada uno de los extremos de la

4 ATP es la sigla inglesa de para Adenin-Tri-Fosfato (AdeninTriPhosphate)

bionanomáquina puede estar sometido a condiciones distintas gracias al aislamiento debido a la membrana. De hecho, esto sucede. A un extremo lo circunda un ambiente rico en iones mientras el otro extremo carece de ellos. Las paredes del motor que está en contacto con la membrana son polares (son iones negativos de aspartame), y esta condición electrónica no permite que pueda existir interacción con la membrana, porque ella es neutra.

Frente al rotor hay una proteína inmóvil que actúa como válvula, cuando un ion positivo (hidronio o potasio) entra, pasa al rotor y neutraliza un ion aspartato; aquí empieza a aplicarse la condición universal de que debe siempre debe existir un equilibrio o estado de menor esfuerzo, y esta razón hace que los efectos de repulsión hagan girar al motor para colocar al ion neutralizado en una posición que reestablezca el equilibrio. Este giro hace que, frente a la válvula, se acople otro ion aspartato y también sea neutralizado, de forma que, uno a uno, cada neutralización ocasiona un giro de 25.09º o 36º (según la especie biológica).

Al completar una revolución, el ion positivo resulta transportado al otro extremo de la membrana, donde hay escasez de éstos, y es fácilmente liberado, dejando disponible un nuevo ion aspartato que contribuye a los efectos de repulsión (para alcanzar la condición de equilibrio mencionada) y el giro inducido lo acerca nuevamente a la válvula donde reinicia el ciclo.

El motor de iones (protones) descrito está conectado a otra molécula que gira en consonancia con el primer motor, y con este giro adquiere la facticidad de ligar una molécula de ADP y permitir con esto la acción de sitios activos (enzimas) que crean un nuevo enlace fosfato, y posteriormente expulsa una molécula de ATP cada 120º de giro. Este proceso es reversible, de forma que si el ambiente circundante dispone de un exceso de ATP, éste puede ligarse a un segmento distinto del motor, en donde los sitios activos rompen un enlace fosfato y expulsan una molécula de ADP, proporcionando un giro de 120º y comunicándolo al motor de iones, que se convierte entonces en una bomba de iones.

Figura 3. Esquema de funcionamiento del conjunto de proteínas denominado ‘Motor de ATP’ o ‘Bomba de Protones’. Un motor de iones está inserto en una membrana grasa, que permite la existencia de un gradiente electroquímico que le sirve de alimentación.

Fuente: adaptado de Goodsell (ver notas al final).

La rotación de la ATP-Sintetasa se propuso durante la década de 1970, pero su observación directa solo se hizo hasta 1997 mediante un experimento en el cual se fabricó un nanomotor híbrido: se inmovilizó un extremo de la molécula por medio de adición de ‘cuerdas’ de histidina, las cuales se fijan fácilmente al níquel, éste, como es de suponer, fue el material de soporte. En el otro extremo se ligó una nanobarra de vidrio recubierta de níquel, y esta a su vez se sujetó a una modificación de streptavidina (una proteína) que podía girar en el eje de la ATP-Sintetasa. El resultado motivó otros experimentos similares que han logrado obtener verdaderos propulsores nanométricos; estas partes móviles necesarias en bionanotecnología pueden obtenerse ahora fácilmente, si se le compara con el procedimiento que sería necesario para construir un nanomotor a partir de todas sus partes elementales.

Bionanomotores fuera de borda.

En algunas bacterias, el movimiento de todo el organismo es proporcionado por bionanomáquinas insertadas en la pared celular, ese tipo de propulsores se denomina ‘motor flagelar bacterial’ y su funcionamiento es idéntico al de la bomba de iones en la ATP-Sintetasa. Cada bionanomotor proporciona rotación a un prolongado filamento helicoidal, el cual utiliza la célula para nadar. El flujo de iones se da desde un lado de una membrana grasa (tal como en la ATP-Sintetasa) –en la que se encuentra embebido el motor– hacia el interior de la célula (citoplasma). Éste, por su gran volumen, en comparación con el que hay entre la membrana grasa y la pared celular, tiene una concentración baja de los iones necesarios para propulsión (sodio o hidronio) Ésta condición habilita un gradiente electroquímico apto para hacer girar el ‘motor flagelar bacterial’.

El gradiente electroquímico, aún no explicado a fondo, consiste de un componente eléctrico (voltaje) y un gradiente de concentraciones. Al interior de una bacteria típica, el potencial eléctrico es aproximadamente 150 milivoltios (mV) inferior que en el exterior de ella, y adicionalmente, como se explicó, el interior de la célula es diluido en iones sodio e hidronio. Estas dos condiciones permiten entender con más claridad por qué el ion que entra en el motor se desplaza de un lado de la membrana hacia el otro, pues se dirige al sitio de menor potencial para igualar los voltajes. El movimiento del motor está relacionado directamente con el torque que deba ejercer; es así como, si el flagelo está libre, pueden presenciarse giros desde 300 revoluciones por segundo (o dicho de una forma más correcta: 1000 Hertz (Hz). Si el flagelo se atasca o inmoviliza, el giro de esta poderosa bionanomáquina es capaz de hacer girar la bacteria entera a una velocidad aproximada de 10 Hz. Todo esto es hecho por una agrupación de moléculas (entre 10 y 18 proteínas) que en conjunto apenas alcanzan 45 nanómetros de diámetro (figura 4). Existen bacterias en las que el motor flagelar bacterial logra velocidades de hasta 1700 Hz (cuando el ion es sodio) De aquí debe resultar claro lo dicho referente a la eficiencia de esta máquina, pues ese sorprendente trabajo se realiza consumiendo alrededor de 1000 iones en cada revolución o giro, lo que aporta una energía de 2.5*10-17 julios al ‘mecanismo’ del motor. Dicho

mecanismo es capaz de generar una potencia máxima de 10 -15 Watios. Busca en los motores a tu alrededor; averigua, si puedes: ¿cuál es su potencia consumida, y la máxima velocidad que puede alcanzar? ¿Alguno se le parece? ¡Seguramente no! Existen casos en los cuales la eficiencia del motor flagelar bacterial es superior al 50% y puede alcanzar casi el 100%; esto quiere decir que aproximadamente TODA la energía química que está disponible para mover el nanomotor, es transformada en mecánica (movimiento), sin alguna pérdida apreciable en fricción5, sonido, u otra forma de energía, a las que sí debemos atender en nuestro macrocosmos. Existen microorganismos (Rhodobacter sphaeroides) en los que la corriente de electrones es proporcionada por un fenómeno similar a la fotosíntesis. Son como un motor accionado con fotoceldas. Las consideraciones asociadas al circuito fotoquímico se discutirán posteriormente.

↑~45 nm

↓

Figura 4. Representación del funcionamiento de un motor-propulsor del flagelo de un microorganismo. Fuente: adaptado de www.scb.org.br/inspiracao/naturezaviva/2k20105.asp.

La unión hace la fuerza

Todos los movimientos que realizamos –sean voluntarios o no– son potenciados por millones de millones de nanomáquinas que pueden ser motores cíclicos o lineales. Uno de ellos (por cierto, muy importante) es el motor de miosina. La miosina es un músculo molecular que utiliza cambios en energía química para producir movimientos deliberados. Estos cambios de energía se deben a la captura/enlace o liberación de moléculas de ATP (entran nuevamente en escena). En este caso, la adición o liberación de una molécula que apenas mide 0.5 nanómetros –la de fosfato– puede ocasionar cambios energéticos tales que la fuerza provocada por este proceso se puede amplificar hasta lograr un cambio en la conformación de la bionanomáquina de 36 nanómetros. Por supuesto, un movimiento tan pequeño no es significante en nuestro macromundo; pero cuando estos movimientos se suman millones de veces, se tienen efectos asombrosos (aunque para nuestros ojos no impresionen tanto) como lo son el movimiento de nuestros brazos, ojos y, en general, una gran estructura como es nuestro cuerpo.

5 Esta ausencia de fricción es previsible, pues es una situación inherente a la materia cuando su dimensión está próxima o debajo de 100 nm.

La fuerza ejercida por una de estas bionanomáquinas es igualmente insignificante: presenta valores comprendidos entre 1 a 10 piconewtons6 (pN). Pero si juntamos tantos motores como sea posible para lograr un efecto visible a nuestros ojos, bastarán 2 millones de millones de motores de miosina para poder levantar un balón que pese un kilogramo. Esto puede parecer exagerado. Pero en el nanomundo estas máquinas pueden ejercer funciones tan exigentes como mover y transportar objetos varias veces más grandes que ellos mismos, a través de un medio viscoso como lo es el citoplasma de una célula. Por ejemplo: en el caso visto del motor de ATP-Sintetasa, si se liga una vara metálica de unos cuantos nanómetros a uno de sus ejes, el motor puede mover esta vara tan velozmente, que es como si una persona común pudiera hacer girar con sus manos a una velocidad de 150 revoluciones por segundo un riel de acero que midiera 100 metros de longitud. Lo anterior nos demuestra nuevamente que en el nanomundo la eficiencia energética es extraordinaria.

En la naturaleza existen hasta ahora tres tipos de bionanomotores lineales: miosina, kinesina y dineina. El primero emplea los cambios energéticos proporcionados por unión y liberación de ATP para crear un desplazamiento a través de una carretera compuesta por filamentos de actina. Las kinesinas y dineinas realizan movimientos a través de nanotubos (o mejor, nanotúbulos), arrastrando su carga durante su tránsito al interior de estos nanoconductos.

Nanoválvulas

Existen otros tipos de moléculas que actúan como una combinación de filtro y válvula. Estos bionanoaccesorios (como los de una instalación hidráulica) son componentes prefabricados y trabajan independientemente, pero interactúan con y a favor de otras bionanomáquinas. Un conjunto de este tipo debe contenerse o encapsularse, permitendo de alguna manera que existan flujos desde y hacia el interior de las células; el corral lo constituyen las membranas7, pero un encerramiento total nunca o casi nunca es deseable. Algún tipo de porosidad sería útil para el paso de iones, pero no ofrecen selectividad alguna, excepto por la diferencias de tamaño. Esta es la razón para que existan válvulas de entrada y salida. Estas bionanomáquinas generalmente son proteínas embebidas en la membrana que recurren a trucos electroquímicos o mecanismos de tipo interruptor para seleccionar qué entra y qué no.

6 Un piconewton (pN) es la billonésima parte de un newton (N); es decir, un pN es la millonésima parte de una millonésima parte de un newton. (Para levantar un masa de aproximadamente 1 kg es necesaria una fuerza de aproximadamente 10 N.)7 Una membrana es, en biología; y por extensión, en la nanotecnología, cualquier capa delgada de un material que cubre, delimita o reviste a otras estructuras y organismos. Podría escribirse un apartado extenso sobre este tipo de máquinas delgadas, pero no es objeto de este capítulo. Las membranas son semipermeables, es decir, permiten el paso de moléculas y esta particularidad las hace aplicables en diversos procesos como la nutrición, respiración e intercambio de elementos y sustancias como azúcares, sales, iones, e incluso otras bionanomáquinas (proteínas pequeñas).

En los dominios de la nanotecnología, se centra el interés científico en el desarrollo de estructuras que se asemejen a las membranas biológicas y puedan funcionar con la misma selectividad y eficiencia.

En una situación cotidiana, como oler nuestro desayuno o saludar a otra persona, las señales nerviosas se propagan por medio del bombeo de iones (sodio y potasio), lo que desarrolla diferencias de potencial eléctrico en las membranas celulares (cosa ya vista en el caso de los bionanomotores). Como respuesta, válvulas o canales de sodio se abren para equilibrar los voltajes; pero como la diferencia de potencial es necesaria, otras válvulas –los canales de potasio– se abren para restablecer el voltaje original.

Los canales de potasio están diseñados para permitir el flujo de iones a través de membranas, pero de forma selectiva, en particular, de iones sodio. Estos canales se componen de dos partes: un filtro (que selecciona los iones) y una compuerta, la cual abre o cierra el canal según las condiciones circundantes. Las diferencias de tamaño son relevantes en la tarea de selección; el modo de operar de estas bionanoválvulas es el esquematizado en la figura 5, y se resume de la siguiente forma:

1. Cuando un ion se aproxima, arrastra consigo un conglomerado de moléculas de agua atraídas por su carga electrónica (iones positivos atraen el dipolo negativo del oxígeno en el agua). 2. El interior del filtro está mostrando átomos de oxígeno de los aminoácidos que constituyen la entrada, el tamaño de la entrada es tal que, cuando un ion potasio se acerca, debe zafarse de sus aguas coordinadas; pero mientras entra, 'siente' la misma atracción electrónica estable y homogénea por los átomos de oxígeno de los aminoácidos y se introduce.

La condición electrónica del túnel de entrada (filtro) da por descartado que iones negativos logren entrar debido a la repulsión de cargas semejantes la cual efectúa la tarea de selección. Cuando un ion sodio se acerca, también deja atrás sus moléculas de agua coordinadas, pero su tamaño levemente inferior (el diámetro iónico es 0.133 nm para el potasio y 0.095 nm para el sodio) le impide establecer interacciones homogéneas en todo su alrededor y fácilmente se neutraliza, es entonces rechazado a causa de su nueva condición electrónica. Este modo de selección permite que por cada 100.000 iones potasio que pasan, solo logre entrar uno de sodio.

(A) (B)Figura 5. Ilustración del fenómeno de selección de iones a través de un ‘Canal de Potasio’. En la situación marcada como (A), un ion potasio se acerca a la entrada del ‘filtro’, el cual

posee átomos de oxígeno de cara al ion para atraer y conducir al ion dentro de la membrana (banda coloreada horizontal). En la situación (B), el ion ha entrado y otros más se dirigen a la entrada de la válvula para repetir el proceso. Mientras el cuerpo de la válvula permanezca abierto (grupo inferior de proteínas en posición horizontal), el flujo y bombeo de iones potasio ocurrirá. El bombeo se detiene si la válvula se cierra (giro a posición vertical). Fuente: adaptado (en parte) de www.rscb.org.

Cientos de diferentes canales de iones están presentes en los organismos vivos y constituyen un amplio inventario de material prefabricado listo para ser empleados. Si es posible utilizarlos para que sean selectivos a cualquier tipo de iones para los cuales están programados, se debe salvar posteriormente la tarea de abrir y cerrar para dosificar el paso de iones. Esto requiere la implementación de moléculas que amplifiquen un cambio electrónico –en forma similar como sucede con el retinal (visto en el siguiente apartado de éste capitulo)– y desencadenen un movimiento de tipo válvula. Otra tarea a encomendar es evitar que la entrada del filtro sea obstruida, cosa que es posible que suceda. Un ejemplo claro de esto es la habilidad que tiene el veneno de los escorpiones para hacer este daño. La toxina de este veneno se denomina caribdotoxina, es extremadamente pequeña (del tamaño de la entrada del canal de potasio) y su única habilidad radica en poseer puntas de aminoácidos cargadas positivamente, que, como es de esperar, se acercan al canal de potasio, son fuertemente atraídos por los átomos de oxígeno de la entrada, cumpliendo así con la obstrucción. Este taponamiento impide el flujo normal de potasio, con la consecuente deficiencia en la propagación de impulsos nerviosos y la inmovilización de las víctimas del escorpión.

Para el correcto funcionamiento de tareas programadas, se requieren otros tipos de válvulas, como la de calcio (proteína moduladora de calcio). Cuando el calcio se bombea o admite dentro de las células, se disparan una serie de diferentes efectos: se ocasiona la contracción de los músculos, se induce la expulsión de insulina desde el páncreas o se evita que espermatozoides adicionales entren a un óvulo cuando el primero ya ha logrado entrar y fertilizar. Tan variadas y valiosas son las funciones de las bionanoválvulas, que su uso debe ser obligatorio cuando se pretenda crear o modificar un sistema nanotecnológico programado. La manufactura en nanoescala requiere el uso preciso, ingenioso y controlado de herramientas nanométricas, las cuales se han pretendido crear, pero insistentemente hay un aviso de que la dirección correcta ya existe y trabaja a diario –las bionanomáquinas– que son fáciles de diseñar (programar), construir y ensamblar. La facticidad de esto depende de las capacidades para avanzar en el entendimiento del cómo funcionan las construcciones moleculares de los seres vivos, o de manera más precisa, de las nanofábricas biológicas.

Algunas válvulas no funcionan como se ha expuesto hasta ahora, y su construcción se puede simplificar hasta una estructura tan elemental como la siguiente: visualicemos un anillo elástico, que permanece cerrado y solo abre si se empuja (así como sucede con un tubo de fibras tejidas o trenzadas). Algunas bacterias utilizan este tipo de válvulas y un tamaño ‘normal’ de esta abertura puede ser 0.2 nm. Por este orificio apenas podrían pasar iones. Pero si fuera necesario que una molécula voluminosa pasara por la válvula, solo hay

que estar ubicado en la posición correcta, para que un choque oprima la ‘Compuerta’ y ésta se ensanche (¡hasta 4 nm!) y cree suficiente espacio para que pasen por ella carbohidratos, metabolitos e incluso otras proteínas.

4.4 Nanoceldas solares y luces biológicas

De alguna forma, toda la energía que el ser humano ha utilizado y puede utilizar proviene del sol y la cantidad de energía que recibe la atmósfera terrestre supera en más de 10.000 veces la demanda energética total de la humanidad. La totalidad de la energía útil en fotosíntesis es aproximadamente 1367W/m² (energía con longitud de onda menor a 400nm).

Ésta energía solar podría utilizarse para su transformación, si existiera algún mecanismo el cual pudiera colectarla totalmente. Gran parte de esta energía se pierde (figura 6) y solo un 29% (aproximadamente 95x1015W) queda en nuestro planeta de la cual una muy reducida fracción (~0,1x1015W) es interceptada por algunas bionanomáquinas y utilizada para el proceso de fotosíntesis.

23% reflejadapor las nubes

100% de la radiación solarincidente (1367W/m²)

7% reflejado por elsuelo terrestre

18% perdida comoradiación de onda larga

(>4mm)

17% absorbido enla atmósfera

6% perdido endifusión de vapor

~2000km

Figura 6. Pérdidas energéticas ocasionadas por el paso de la luz y la radiación a través de la atmósfera terrestre. Fuente: Elaborado con datos de Tonda y Luijkx

Pese a que la fotosíntesis es un proceso con un rendimiento muy bajo (entre 0.5 y 2.5%), la operación resulta rentable debido a que la energía solar la recibimos completamente gratis (¡eso creemos!). El inmenso reactor solar plantado sobre la tierra realiza como principal función convertir dióxido de carbono en carbohidratos y desprende como residuo moléculas de oxígeno. Este proceso se denomina fotosíntesis y un vistazo al interior de él nos permitirá encontrar bionanomáquinas que suelen denominarse centros de reacción fotosintéticos.

Estos ‘centros’ son proteínas que capturan fotones individuales y los utilizan para generar la potencia que requieren las reacciones químicas cotidianas; se encuentran suspendidos en una membrana dentro de las células vegetales y se soportan o suspenden entre una inmensa cantidad de moléculas coloreadas (clorofila y carotenoides) que permiten la absorción de diferentes ondas de luz. Para el caso de la clorofila, ésta molécula absorbe las frecuencias correspondientes al color azul y rojo, retornando la reconocida frecuencia del color verde. Los carotenoides retienen las frecuencias de la luz azul y verde, reflejando la gama de colores que va desde al amarillo hasta el rojo. La energía asociada a esta frecuencia de luz absorbida8 es la que se transmite y utiliza para realizar fotosíntesis.

En la figura 7 se representa uno de estos ‘centros’. Al interior de esta bionanomáquina, se encuentra un conjunto que actúa como cadena de transferencia de electrones. Está compuesto por una cadena de moléculas de clorofila-filoquinona y encima de ella hay tres grupos de átomos de hierro y azufre. En esta cadena de transferencia, la clorofila absorbe fotones de luz y algunos electrones de la molécula son excitados hacia estados energéticos superiores (orbitales de mayor energía). Cuando el electrón decae a su estado original, re-emite la energía en forma de calor y un nuevo fotón de menor energía; pero, antes de que esto suceda, el electrón es transferido a los grupos hierro-azufre, y estos lo transfieren a otras bionanomáquinas9: moléculas de ferredoxina. Estas moléculas complementan la cadena y emplean estos electrones excitados en otras etapas de la fotosíntesis.

El electrón perdido en esta cadena de transferencia es reemplazado por uno proveniente de una molécula denominada plastocianina.

La pareja ferredoxina-plastociana es complementaria, pues sus diseños particulares les otorgan propiedades opuestas: La ferredoxina difícilmente acepta y retiene electrones, pero se ve forzada a realizar esta acción debido al impulso energético que lo precede (la excitación del electrón). Por otra parte, la plastocianina puede emitir y recibir fácilmente electrones, por lo que arrebata con destreza electrones a la molécula de ferredoxina y el equilibrio electrónico se restituye para iniciar un nuevo ciclo. Todo lo anterior suministra una la ganancia energética explicada por el ‘efecto fotoeléctrico’, y que es suficiente para lograr el avance de muchos tipos de reacciones químicas al interior de la planta.

8 La cantidad de energía asociada a una frecuencia de luz está dada E=hν, donde h es la constante de Planck (h=6,6256*10-27ergio-segundo), y ν es la frecuencia de la onda de luz. Esta definición se abordó con anterioridad en la introducción a este libro.

9 En nanotecnología, el efecto de que un fotón sea capaz de arrancar electrones se denomina “Efecto Fotoeléctrico”, descrito por Albert Einstein en 1905. Este efecto se ha descrito en el volumen #1 de la serie de ‘Monografías BUINAIMA’ (disponible en línea en www.buinaima.org/docs/Revista_Centenario.pdf ).

(A) (B)

Figura 7. Esquema de ‘centro de reacción fotosintético’. Se resaltan en tono oscuro la cadena de transferencia de electrones compuesta por clorofila-filoquinona (A) o de clorofila-plastoquinonas (B). Fuente: adaptado de www.rscb.org

El centro de reacción fotosintético explicado está presente en las plantas denominadas superiores, las algas y algunas bacterias, pero existe otra forma de funcionamiento basado en una estructura similar, en la que el electrón excitado que viaja a través de la cadena de transferencia es reemplazado por una molécula de agua. Durante este proceso la molécula se descompone y se libera oxígeno, el cual respiramos los humanos.

En esta variación de foto-bionanomáquina encontramos de nuevo un centro donde la clorofila absorbe fotones de luz y/o energía transmitida por una gran vecindad de otras clorofilas y carotenoides. Un nuevo electrón es excitado a niveles energéticos superiores, y cuando decae, es transferido a dos tipos de plastoquinonas (tipo A y tipo B). El proceso continua y las plastoquinonas reciben electrones hasta donde su capacidad lo permite y re-emiten todos estos electrones a otras bionanomáquinas de la cadena fotosintética. Nuevamente, las bionanomáquinas permiten una ganancia energética debida al efecto fotoeléctrico. Como se dijo en el párrafo anterior, el electrón de reemplazo para la clorofila proviene de moléculas de agua, las cuales son capturadas por aminoácidos (tirosina) y son transferidas hacia las clorofilas, colocándolas en una situación apropiada para reiniciar la absorción de un fotón.

Recordemos que, el rendimiento termodinámico (energético) de esta reacción es muy bajo (0.5 - 2.5%) respecto de la cantidad de fotones que logran llegar a las capas bajas de la atmósfera. El centro de reacción fotosintético debe tener una actitud ‘conforme’ y esperar hasta que el azar provea un fotón que inicie el proceso. Afortunadamente, la energía que se obtiene durante la transferencia del electrón se puede transferir de un modo fácil entre moléculas por procesos de resonancia. Estos fenómenos recaen en los dominios de la mecánica cuántica (omnipresente siempre que ha de referirse a nanotecnología). Todos

estos electrones sirven a las plantas para enviarlos a enzimas que metabolizan carbohidratos u otras moléculas, y bombear iones a través de membranas, proporcionando potencia a una popular bionanomáquina: El motor molecular de ATP.

Si este sistema de transferencia de electrones –circuito molecular– es adecuado para impulsar funciones de trabajo o reacciones químicas biológicas, puede serlo también en el campo tecnológico (o nanobiotecnológico), cuyos resultados ya son de dominio público. Un ejemplo de esto es la creación de circuitos electrónicos a partir de cloroplastos de espinaca, lo que ha dado como resultado la primer celda solar fotosintética en estado sólido. Dado que los cloroplastos son material biológico y su desempeño existe en medio acuoso, este conjunto de proteínas y agentes cromóforos10 (clorofilas y carotenoides) debe ser estabilizado en un soporte orgánico que imite el ambiente natural. Este soporte, por ahora, consiste de péptidos que se autoensamblan para formar vesículas (léase mejor como vejigas) y nanotubos que emulan una membrana celular (esto se logra gracias a sus características de agente tensoactivo, como lo son algunos jabones). Los cloroplastos embebidos en este soporte pueden ejercer su función fotosintética y desarrollo de un circuito eléctrico.

¿Es exclusiva la fotosíntesis de las plantas?

Para los animales, el efecto de absorber fotones para excitar electrones y re-emitir fotones de menor energía, no ocasiona procesos metabólicos, sino que es utilizado como mecanismo de atracción o defensa.

En algunos peces y medusas, una proteína denominada aequorina, absorbe luz ultravioleta par excitar electrones. Como es de suponerse, re-emite fotones de menor energía. Y el resultado es luz visible. En algunas bacterias (proteína rhodopsina), y en el ojo humano (opsina), las complejas bionanomáquinas encargadas de detectar luz y transmitir algún tipo de señal, se apoyan en el efecto que tiene la luz sobre una molécula especial: el retinal (la forma activa de la vitamina A1). Ésta molécula presenta una actividad exótica. Fácilmente absorbe y re-emite fotones gracias a su conjunto de dobles enlaces conjugados (figura 8). Durante este proceso de absorción/emisión, el retinol cambia la posición de sus enlaces y se obliga también a cambiar su forma que pasa de ligeramente recta, a una forma curvada. En el caso de la visión humana, este movimiento se transmite y amplifica hasta lograr el movimiento de otras moléculas que ocasionan la generación de impulsos nerviosos.

Algunas especies han simplificado estos procesos y la bionanomáquina se transforma en una estructura de muy pocas moléculas. Un caso para mencionar es la medusa. Ella no emplea moléculas complicadas que actúen como agente cromóforo para re-emitir fotones como luz. Se vale de una serie de tres aminoácidos: serina-tirosina-glicina, o treonina-

10 Crómoforo es una molécula o agente que otorga color. Su significado proviene del griego χρώμα [croma]: color, y φορέιν [forein]: llevar.

tirosina-glicina. Cuando estos aminoácidos se enrollan apropiada y espontáneamente, la glicina forma enlaces químicos con la serina, forma un anillo adicional y pierde una molécula de agua (se deshidrata). Si una molécula de oxígeno reacciona con la tirosina, esta genera nuevos enlaces y en ese preciso momento se crea una molécula con propiedades cromóforas.

(A, Retinol) (B, Retinal)CH3

CH3

CH3H3CCH3

OH

CH3

CH3

CH3H3CCH3

O

CH3

CH3

CH3H3CCH3

OH

CH3

CH3

CH3H3CCH3

OH

+ H2O

Fotón 1

Fotón 2

Enzima

(C, Estado normal) (D, Estado excitado)Figura 8. El retinol o vitamina A1 (A) se activa por deshidratación en su respectivo aldehído (B). En su estado normal es excitado tras recibir un fotón ultravioleta (C). Cuando el electrón decae, el retinal re-emite un fotón de menor energía (luz visible) y hace posible que la molécula cromófora sea luminiscente.

El conjunto de proteínas-retinol-agente cromóforo existente en las medusas se ha denominado proteína verde fluorescente, y su uso comercial es extenso, ya que permite observar directamente dentro de células gracias a su luminiscencia. En muchos casos, ha sido fácil hacer ingeniería genética con ésta mini-bionanomáquina; pues si se estimula la creación de la proteína que contiene la cadena serina-tirosina-glicina y se introduce retinol, la bionanomáquina fluorescente aparece al enrollarse en forma espontánea y es apta para trabajar. Solo se requiere una fuente de luz ultravioleta para hacer que reluzca, y como ya se ha visto, es posible adherirla a otras moléculas (como anticuerpos) o a virus, y tras 'alumbrar' con luz ultravioleta, será fácil observar los trayectos y sitios hacia los que los incautos transportadores se mueven acarreando un faro nanométrico.

Las proteínas luminiscentes pueden ser modificadas para que la estructura final absorba y re-emita fotones en diferentes longitudes de onda, esto quiere decir, que es posible obtener luces en todo el espectro visible, y los cambios pueden suceder en tiempo real, por variaciones de pH o concentración de algún elemento o molécula. Este desempeño es el de un nanosensor y sus aplicaciones pueden ser miles, ya que sirven para identificar diversas condiciones, y brindan información en nuestro macrocosmos sobre lo que sucede a nivel nanoscópico.

4.5 Sensores y otras bionanomáquinas

Cada molécula natural, artificial, o un híbrido de éstas, tiene el potencial de ser empleada como bionanomáquina. Y una de las más satisfactorias aplicaciones hasta el momento ha sido, quizá, el segmento de bionanosensores. Aquí, las nanopartículas biológicas que exhiben exóticas propiedades (o más bien, propiedades convenientes) han sido aplicadas en su forma pura o modificada para detectar y transmitir información sobre situaciones de tipo electroquímico, óptico, acústico, e incluso magnético.

En el campo óptico, las bionanomáquinas no son exclusivamente de tipo biológico, sino, por ejemplo, conglomerados metálicos que sirven para monitorear comportamientos de sistemas orgánicos. En estos casos, nanopartículas de metal se ligan a una molécula o se disocian dentro de un sistema en observación. Cuando cambian las condiciones energéticas (lumínicas, químicas o electrónicas), éstas interacciones son fácilmente perceptibles por nuestra visión, ya sea bajo luz visible u otro tipo de agente revelador. Por ejemplo, el avance en el reconocimiento de cadenas de ADN normal o con mutaciones se ha podido lograr mediante el uso de nanomáquinas híbridas, consistentes en oligonucleótidos (figura 9) que en un extremo tienen grupos azufrados y en el otro una proteína fluorescente inhibida. Esta molécula se adhiere fácilmente a nanopartículas de oro (por el extremo con azufre) y se autoensambla para formar arcos alrededor del oro. El oligonucleótido se ha programado (diseñado) de tal forma que, cuando el bionanosensor encuentra una secuencia de ADN mutante, se adhiere a ella y la proteína fluorescente se restaura, mostrando con su luminiscencia el hallazgo.

O

CHN

N

NH2

N

N

O

PHO O

OH

HN

O

CH3

O

O

PHO O

OH

N

O

O

CHN

N

N

HN

O

PHO O

OH

H2N

O NH2

N

N

O

OH

OHO P

O

O

HN

O

O

O

PHO O

OH

N

O

Adenina Timina Guanina Citosina Urácilo

Figura 9. Los nucleótidos del ADN y el ARN son 5. Naturalmente se polimerizan por medio del enlace fosfato y luego se ensamblan por medio de atracciones de los grupos nitrogenados y oxigenados. Si se crean oligonucleótidos (polímeros cortos) con complementariedad hacia secuencias anormales de ADN; se tiene el principio de una bionanomáquina útil como detector en tiempo real de cadenas mutantes de ADN.

En el área acústica, los mecanismos piezoeléctricos (cuarzo cristalino) sirven para verificar la masa de las bionanomáquinas que se pudieran crear. Pues dada la sensibilidad de estos mecanismos, se ha considerado que la superficie de un electrodo de cuarzo puede ser diseñada para poder acomplejar11 sobre ella moléculas biológicas como por ejemplo,

11 El fenomeno de acomplejamiento sucede por un efecto atractivo de un agente o sustancia, sobre un medio circundante (del latin complexus, de complecti, enlazar). Sobre un electrodo de cuarzo, como sucede en

anticuerpos. Y la masa de cada bionanomáquina se traduce e identifica, ya que esta afecta notablemente la frecuencia de oscilación del sensor.

Un bionanosensor magnético puede hacerse con la leve modificación de algún tipo de bionanomáquina. Por ejemplo, ligar a ella alguna forma de ferrita o un derivado magnético o paramagnético. Aprovechando los principios ya mencionados para que exista interacción entre bionanomáquinas (actividad electrónica, afinidad química y complementariedad geométrica), se han programado sensores para reconocimiento de otras moléculas o individuos (microorganismos), y cuando esto ha sucedido, los sensores se acoplan a su objetivo son retirados, o más bien atraídos, por una fuente magnética externa. Ya hecho esto, los objetivos capturados pueden recuperarse y pasar a la tarea de regenerar el sensor. Otra posibilidad consiste en permitir que los ‘nano’-buscadores permanezcan ligados a sus objetivos y observarlos bajo un microscopio con dispositivos de interferencia cuántica de superconductividad.

Si en nuestros sensores se utilizaran nanopartículas con propiedades paramagnéticas, la relajación de Nëel12 ocasionada por la unión sensor-objetivo es observable como disminuciones del flujo magnético.

Los bionanosensores electroquímicos son los más abundantes y sus ejemplos no están necesariamente en laboratorios, aunque casos muy elaborados nunca salen de allí. Tal es el caso de la computación basada en procesadores de ADN y otros casos selectos.

Consideremos una enzima cualquiera, con una función característica ejecutada en un ambiente propicio. Estas proteínas son modificadas con adhesión o reacción con metales, y su comportamiento es modificable hacia el reconocimiento de sustancias químicas. Por ejemplo, y recurriendo nuevamente a partículas de oro nanométricas, es posible crear coloides de enzimas híbridas que son capaces de señalar la presencia de agua oxigenada, azúcares, u otros metabolitos, hasta concentraciones tan débiles como 0.4 micromoles13. Esto quiere decir, para el caso de la glucosa (peso molecular de 180 g/mol), que el bionanosensor puede detectar tal azúcar, aunque se encuentren tan solo 0,000072 gramos en un litro. Dicho de otra manera, equivale a encontrar evidencia de que una cucharada de azúcar se disolvió en 100 toneladas de agua. (¡si se tuviera una piscina de 10 metros en cada lado y 1 metro de profundidad, allí habrían 100 toneladas de agua!).

En muchos bionanosensores es recurrente el uso de oro, debido a su facilidad para permitir la transferencia de electrones y quizá más propiedades que se modifican

este caso, se debe formar un conglomerado de particulas que son atraidas o adheridas.12 Una relajación es una pérdida; que en este caso es una pérdida electromagnética. Para una partícula nanométrica, la relajación puede suceder por medio del giro propio, para orientarse hacia una fuente magnética (relajación de Brown), o por medio del giro del momento magnético al interior de la partícula (Relajación de Nëel). La relajación de Nëel ocurre para partículas en medio acuoso, de tamaño inferior a 10 nm y en presencia de campos magnéticos con frecuencias mayores a 1 MHz. Estas relajaciones ocurren para toda nanopartícula metálica que se adhiere a un material orgánico.

13 Un micromol es la millonésima parte de un mol. Se plantea aquí como caso de comparación al azúcar de mesa (glucosa), para la que un mol son 180 gramos.

drásticamente cuando la partícula se vuelve nanopartícula (tamaño <100 nm). El autoensamblado es, en muchos casos, la situación limitante , dado que un bionanosensor debe desempeñarse, o imitar al que pudiera ser hecho por un organismo vivo: generarse con el material disponible y adquirir su configuración definitiva más estable y útil. El auto ensamblado es la llave para unir la física, la química y la biología, o dicho en otras palabras, que es la clave de la nanotecnología. Quizá para el lector de este capítulo es claro hasta este punto que las bionanomáquinas sí se autoensamblan, y deben ser el ejemplo a seguir para los entusiastas de la bionanotecnología.

Bionanomáquinas completamente orgánicas también sirven de sensores. Una toxina elemental, como la de la planta de higuerilla o ricino (toxina denominada ricin), enlaza los receptores del azúcar galactosa de las células. Luego de acoplarse, introduce dentro de ella péptidos desensamblados e interfiere en la síntesis de proteínas. Cuando estas mismas acciones se usan para hacer que la toxina se una a cadenas de ADN típicas del virus VIH1, la bionanomáquina pasa de ser destructiva hacia la forma de un excelente nanosensor, pues este acoplamiento virus-ricin, desencadena reacciones y productos intermedios que son coloreados (y por lo tanto: observables) aún cuando la concentración del virus sea muy baja.

Mensajeros en el nanomundo

Como en cualquier sistema interactivo, existe un modo de comunicación o transmisión de información. En el caso de las células nerviosas, la comunicación es hecha por el envío y recepción de nanopartículas llamadas neurotransmisores (como la acetilcolina, o serotonina). Estas moléculas se difunden hasta que encuentran receptores especiales en otras bionanomáquinas. Las bionanomáquinas con receptores se abren como válvulas y permiten que ocurran flujos de iones, con la consecuente cascada de efectos electroquímicos involucrados. Los receptores se encuentran siempre en el exterior de las células y deben también encontrarse en todo tipo de bionanomáquinas. Este fenómeno constituye el primer contacto con el entorno.

Las proteínas mismas pueden convertirse en receptores, y para dar un paso más en la escala de complejidad, son también sensores los conjuntos de ellas. Si autoensamblamos proteínas en forma de tubos y luego los colocamos o insertamos en membranas (recurriendo al principio inviolable de la existencia de actividad electrónica, afinidad química y complementariedad geométrica), se presenta un efecto como el que se vio con el retinal: la configuración del receptor cambia sutilmente, pero suficiente para transmitir cambios relevantes. En este caso, el tubo se expande y el flujo de iones se establece a través de la membrana (iones sodio, potasio, o calcio, por ejemplo).

Para un caso particular, como el de las células musculosas, ellas están bombeando permanentemente iones de sodio fuera de su estructura, pero si el neurotransmisor adecuado se inserta en su receptor ‘personal’ (acetilcolina, figura 10-B), el flujo de iones se invierte y promueve el proceso de contracción muscular.

(A) (B) (C)Figura 10. Representación del receptor de acetilcolina, La parte (B) muestra su posición en una membrana, y las partes (A) y (C) son las vistas superiores cuando el receptor está ‘cerrado’ y ‘abierto’ (respectivamente) al paso de iones. Cuando el receptor se modifica por adición de proteínas tóxicas, resultando un receptor ‘paralizado’ que permanece abierto como en el estado (C).Fuente: adaptado de www.rcsb.org (ver notas al final)

Este tipo de bionanomáquinas –los receptores de neurotransmisores– sirven para muchas más funciones. En las rayas eléctricas y anguilas, el receptor de acetilcolina se encuentra en cantidades enormes en los órganos eléctricos. En estos curiosos casos de la evolución, las células musculares son planas y se agrupan en capas. Se crea una diferencia de voltaje en la membrana de las células (ver el caso del motor flagelar bacterial) y se controla por la abertura y cierre del receptor de acetilcolina. La suma en serie de estas diferencias (causada por el empaquetado de células en capas) se incrementa en escala progresiva hasta que es suficientemente grande para vencer la resistencia del organismo propio, y descargarse como un choque eléctrico; frecuentemente sobre una presa o intruso.

Tan simple como importante es la función de los neurotransmisores (o sencillamente transmisores) así como la de los receptores, los cuales podemos manipular con sencillez. Si una molécula tóxica es adherida al receptor de acetilcolina, puede evitarse que se abra el conducto. El flujo de iones nunca ocurre y la cascada de estímulos se detiene. Esto es fácil de ver en el casos de algunos venenos, como el de la serpiente cobra. Ella sintetiza y suministra a su veneno ciertas moléculas (toxinas) que se pegan alrededor del receptor de acetilcolina y lo ‘paralizan’ (figura 10-C).

Es importante programar un mensaje de forma que solo actúe en el tiempo adecuado y luego sea retirado (o destruido). En el caso de la acetilcolina, esta se destruye por hidrólisis, con lo cual cambia su identidad química (se transforma en ácido acético y colina) y el receptor se cierra nuevamente. Esto puede darnos una noción de otra forma para

estropear un receptor: “si se evita que el transmisor sea destruido, el receptor permanece abierto y nuevamente se logra paralizar al sistema”.

La bionanotecnología se vale de este tipo de nanoestructuras para aliviar enfermedades relacionadas con la relación existente entre transmisor y receptor. En el mal de Alzheimer, las células nerviosas se pierden progresivamente mientras que la enfermedad avanza. Hoy día en vez de realizar alguna obra fantástica como los primeros ideales nanotecnológicos de pretender viajar al interior del cuerpo y reparar la célula. Se trata a los pacientes con inhibidores del proceso de destrucción de acetilcolina (que bien pueden ser proteínas que obstaculizan el trabajo de la enzima que la hidroliza, como la acetilcolina-estearasa). Este proceso de hidrólisis dura 80 microsegundos en los humanos, pero si se evita en algo su destrucción, el exceso de transmisores suple al defecto de receptores y la cadena de impulsos nerviosos es parcialmente compensada en pacientes con este tipo de degeneración.

Luces del nanomundo

La bioluminiscencia es luz producida por medio de reacciones químicas; alguna vez fue una gran paradoja, que la física, la química y la biología se encargaron de resolver.

En una situación común, como la que nos invade desde la invención de la bombilla eléctrica o incandescente se debe hacer que un filamento metálico o gas enrarecido deba calentarse o excitarse hasta que la radiación emitida sobrepase el espectro infrarrojo. Sólo así la luz emitida es visible para nuestros ojos. Pero aquella travesía por bajas longitudes de onda hasta el infrarrojo involucra perdidas de energía en forma de calor y otras radiaciones, las cuales son un enorme desperdicio que consume casi la totalidad de la energía destinada a producir luz.

Cuando se puede producir luz sin tener que generar este desperdicio de calor, nos referimos al fenómeno de luminiscencia, que es parcialmente lo opuesto a la incandescencia. La luminiscencia biológica no es más que una herramienta química de la que se vale una especie biológica –es la emisión de fotones durante una reacción química, que casi siempre es una reacción de oxidación–. La luz producida por este medio es luz real: puede reflejarse, difractarse y polarizarse, también puede ser interferida y fotografiada. Existen casos en los que son tan intensas las emisiones de luz, que basta un conjunto luminiscente de alrededor de 2 metros de diámetro, para que se pueda leer dentro de una habitación que tenga dos metros de altura.

Con los mecanismos adecuados de enfoque, dirección, reflexión, lentes para concentrar el haz luminoso y filtros para controlar el color de la luz, pueden elaborarse nanolinternas para usos tecnológicos (o nanotecnológicos).

Las bionanomáquinas luminiscentes están compuestas por dos moléculas: luciferina (la que produce la luz) y luciferasa (la enzima –proteína– que cataliza o facilita la reacción que produce luz). La proteína catalizador no toma parte permanente en la reacción de oxidación/emisión de luz; pero su sola presencia es suficiente para que la reacción suceda.

En las reacciones 'normales' de oxidación con incandescencia –por ejemplo: quemar un papel– los productos de oxidación son dióxido de carbono y agua; pero en la bioluminiscencia, el producto de reacción es oxiluciferina, la cual puede regenerarse para repetir el ciclo de emisión de luz, el cual puede repetirse más de un millón de veces por segundo. El secreto de estas luces está en el mismo efecto fotoeléctrico, solo que en este fenómeno, la emisión del fotón se debe al decaimiento de un electrón que pertenecía a un enlace altamente energético y que tras la hidrólisis de la oxiluciferina, pertenece a un enlace que le exige menor energía (figura 11).

Aunque la luminiscencia química posee rendimientos energéticos de alrededor de 25%, esto es sorprendentemente más elevado que el 1 o 2% que proporciona la incandescencia. Estas bionanomáquinas luminiscentes ya tienen aplicación en elementos recreativos y de emergencia, pero su uso más interesante está en el nanomundo, pues la aparición de luz, además de iluminar, sirve para la detección de aquellas moléculas que son necesarias para la reacción, esto quiere decir, que nuevamente usamos una bionanomáquina como sensor, y en este caso ha sido útil para detectar sustancias como ATP, NADH (una importante enzima) y oxígeno.

HO S

N

S

N

O

OH

CO2 + AMP

O2 + ATP

EnzimaLuciferasa

Luciferima

OxiluciferimaHO S

N

N

HS

OHO

Ácido tioglicólico

NH3

D-cisteína

OHN

S

N

SHO

H2O

HS

H2N

O

OH

+ LUZ (~490-560nm)

Figura 11. Reacciones de oxidación de luciferina hacia oxiluciferina, y reducción (regeneración) enzimática durante un ciclo de generación de luz.

4.6 Presente y futuro

Es posible que en el año de 1986 se haya iniciado la nanotecnología tal como la conocemos actualmente, un poco filosófica, pero al fin y al cabo, construida con ideas que poco a poco y con gran cantidad de fracasos, han podido hacerse realidad.

Eric Drexler parafraseaba algunas afirmaciones de personajes que investigaban en la física, la química y la biología. Estas áreas científicas ensambladas (¿o autoensambladas?)

son el soporte de la nanotecnología. Una de tantas frases citadas por Drexler, es la siguiente:

“La Ingeniería de proteínas representa un primer paso importante hacia una capacidad más general para la ingeniería molecular, la que nos permitirá estructurar la materia átomo a átomo”.

Esta frase de Kevin Ulmer, aparecida en un texto de Science (volumen 219, febrero de 1983) parece recoger la intención de éste capítulo. Pero, sin embargo, las proteínas tal como se han visto hasta el momento: bajo la perspectiva de bionanomáquinas, son el fundamento de la primera ola nanotecnológica, pero la segunda ola, tal como se ha predicho, debe orientarse a la generación de nanomáquinas híbridas, que se valgan del mecanismo de autoensamblado orgánico pero con estabilidad persistente en el tiempo. Las bionanomáquinas solo pueden ser útiles en el medio adecuado, es decir, con agua y la temperatura correcta. Los dispositivos nanotecnológicos de inicio del siglo XXI utilizan membranas sintéticas autoensambladas para contener las nanopartículas y simular el ambiente celular. Estas películas (membranas celulares sintéticas) y liposomas se hacen de fosfolípidos y otras clases de moléculas amfifílicas (como un tensoactivo). La ubicación estratégica de sitios hidrofílicos e hidrofóbicos son los causantes del autoensamblado u organización espontánea

Cuando una partícula se reduce de tamaño, tanto que se considera nanométrica, el comportamiento típico que exhibía en el macrocosmos se desvanece y da paso al comportamiento cuántico. Esta puede ser la razón más fuerte para denominar puntos cuánticos a un arreglo controladamente organizado de partículas nanométricas, que pueden ser biológicas, híbridas o inorgánicas. Esta organización controlada, tanto en una como tres dimensiones, es la base de funcionamiento de los dispositivos de memoria y lógicos. Muchos de estos dispositivos se fabrican actualmente por medio de litografía micro y nanométrica, que han evolucionado hasta alcanzar una densidad elevada y tamaños verdaderamente reducidos, pero a medida que se alcanza el límite micrométrico (1000 nm) y más allá (nanomundo o inferior a 100 nm), estos procedimientos se hacen muy costosos, limitantes, y los efectos cuánticos son realmente evidentes. Esto motiva la arquitectura en nanoescala por medio de nanopartículas e incluso átomos individuales, como ocurre con los transistores atómicos.

Uno de estos tipos de arreglos se hace con proteínas modificadas e incluso ADN. Estas se asocian naturalmente en estructuras de forma anular que se denominan chaperoninas y de acuerdo a las modificaciones o propiedades naturales e intrínsecas de estas bionanomáquinas (algunas de las cuales se han relatado a lo largo de éste capitulo) constituyen verdaderos sitios reactivos a un sinnúmero de alteraciones ópticas, químicas, magnéticas, etc.

Proteínas chaperonas de tamaño de 3 hasta 9 nanómetros pueden ensamblarse en anillos con forma de poro que cristalizan en modelos bidimensionales o placas de hasta 10 micras de diámetro. En el interior del poro pueden ligarse selectivamente más nanopartículas reactivas como oro, seleniuro de cadmio-sulfuro de zinc (CdSe-ZnS). Estos ‘puntos cuánticos’ modificados se vislumbran como la próxima generación de todo tipo de dispositivos para caracterización óptica y electrónica, ya que como se dijo, constituyen

verdaderos sitios reactivos a todo tipo de alteraciones ópticas, químicas, magnéticas, e incluso biológicas. Pueden llegar a utilizarse para detectar enfermedades antes de que se manifiesten, ubicar mutaciones, cáncer y todas las demás posibilidades que puedan encontrarse. En la figura 12 se esquematiza el posible funcionamiento de una placa de puntos cuánticos reales, hechos con anillos del aminoácido cisteína, los cuales se modifican para presentar cambios de apariencia ante alteraciones químicas.

(A) (B)Figura 12. Puntos cuánticos de cisteína (A), cuando una modificación química sucede, el anillo de aminoácidos cambia su conformación y se abre (B), al estilo de los neuroreceptores, y evidencia macroscópicamente un suceso químico no fácilmente detectable.Fuente: adaptado de bionanex.arc.nasa.gov/projects.html

Las investigaciones en el área de catálisis han posibilitado obtener moléculas que cumplen las mismas funciones que las enzimas biológicas, que aunque muy útiles, solo se desempeñan en las condiciones satisfactorias y en muchos casos sería maravilloso si pudieran trabajar también en ambientes extremos y exigentes. Moléculas simples son diseñadas para cumplir las mismas funciones que haría una bionanomáquina - hasta donde fuere posible - como, por ejemplo, la síntesis selectiva de aminoácidos y la imitación del mecanismo de ruptura de ADN.

Desde la década de 1980 se trabaja en este frente, y los trabajos incluyen moléculas que no son proteínas, pero que todavía son orgánicas. Para discusión de un caso particular pueden presentarse como nanomáquinas moleculares a las ciclodextrinas; unas moléculas de apenas 0.5-0.9 nm, solubles en agua pero con propiedades hidrofóbicas en su interior que son útiles, pues esto ofrece la posibilidad de extraer y retener en su interior materiales que también son hidrofóbicos y transportarlos tal como lo hiciera una enzima con una sustancia que debe modificar. Otras moléculas como el piridoxal y sus derivados sirven para ejecutar tareas de modificación de otras moléculas, e incluso proteínas. El éxito de estas funciones se soporta en un principio muchas veces mencionado (actividad electrónica, afinidad química y complementariedad geométrica), pero la pequeñez de las nuevas nanomáquinas podría permitir trabajar sin que sea necesaria la complementariedad geométrica ya que la construcción de las moléculas para seleccionar el objetivo es suficiente.

Funciones hasta ahora exclusivas de bionanomáquinas, como la ruptura controlada de ADN, pueden repetirse sin que intervengan ya estas moléculas (ribonucleasa, para este caso). El aprendizaje del funcionamiento de la bionanomáquina original, ha permitido ubicar las moléculas que son responsables de las tareas principales. Y ahora solo es necesario ubicar estas moléculas en un soporte más modesto y más pequeño (nuevamente ciclodextrina) que pueda llegar hasta su destino y/o alojarlo para iniciar las tareas programadas.

Veamos un claro ejemplo del uso de bionanomáquinas en beneficio nuestro. En páginas anteriores se mencionó la posibilidad de utilizar centros de reacción fotosintéticos para crear fotoceldas. La forma en que pude fabricarse uno es la siguiente:

a. Cloroplastos de un vegetal (espinaca) se depositan en un soporte de vidrio –una placa– y para preservar el entorno acuoso, se coloca sobre los cloroplastos una película de péptidos autoensamblados, que se asemejan a la protección que ofrece una membrana celular. Los cloroplastos se protegen para no secarse.

b. Para crear los electrodos, las capas de cloroplastos se depositan sobre un vidrio recubierto por un material metálico transparente en lugar de un vidrio simple. Éste recubrimiento/electrodo es una mezcla de oxido de indio y estaño.

c. El conjunto se humecta para que haya conducción y del otro lado de los cloroplastos protegidos se coloca una película de plata que sirve como segundo electrodo.

Todo esto, produce el mismo resultado que si sucediera fotosíntesis, pero el fin es distinto: cuando un haz de luz visible atraviesa la placa de vidrio con el primer electrodo de óxidos metálicos, las proteínas de fotosíntesis absorben fotones y los electrones excitados son despedidos; pero ahora el receptor de éstos es el electrodo de plata y si entre los dos electrodos conectamos un dispositivo que consuma energía (un radio pequeño, por ejemplo) el circuito se cierra y la corriente creada retorna los electrones a los centros de reacción fotosintéticos. El proceso se esquematiza en la figura 13.

Placa de vidrio

Cloroplastos

Membrana

Electrodo positivo

Electrodo negativo

Figura 13. Esquema de un fragmento de una fotocelda elaborada con cloroplastos vegetales. Fuente: elaborado a partir de datos de Das R.

Estos dispositivos nanotecnológicos, que no necesariamente son tan diminutos (pero si sus componentes), pueden ajustarse para que sean más eficientes, como por ejemplo: hacer rugoso el vidrio, para poder contener más cloroplastos. La gran ventaja de estas fotoceldas frente a otras que pudieran ser más eficientes, es la posibilidad de autoregeneración que brindan los cloroplastos.

El orden de magnitud de las posibles aplicaciones debidas a la transferencia del conocimiento obtenido de las bionanomáquinas hacia los nuevos materiales moleculares es tan numeroso como el conjunto de nanómetros que caben en un metro. Las exóticas propiedades moleculares y supramoléculares de estos dispositivos tendrán aplicación en la electrónica molecular, biomedicina y maquinaria electrónica: pero en estos casos ya no se habla de bionanomáquinas individuales sino sistemas de bionanomáquinas engranadas o ligadas a otras semejantes (y complementarias), que seguramente encontrarán su campo de aplicación en la construcción y autoensamblado de mecanismos de transporte molecular, detección o almacenamiento de información, solo por citar algunas posibilidades.

4.7 A manera de conclusión.

Las nanotécnicas involucran la creación, caracterización y modificación de nanomateriales organizados para la construcción de sistemas y dispositivos nano e incluso microscópicos. Se ha visto que los sistemas vivos contienen una extensa gama de nanomáquinas y dispositivos altamente estructurados, pero aún así, la nanotecnología y la bionanotecnología practica están en su infancia y no es realista proponer, por ejemplo, el uso de nanomotores para ensamblar (en un tiempo cercano) nanomáquinas propulsadas. Hechos menos vistosos hacen de la bionanotecnología una práctica híbrida que puede incluso confundirse con la nanomedicina. El lector no debe olvidar algunas palabras del comienzo de este capítulo: “las bionanomáquinas no son por sí mismas entes en busca de sustento, sino que requieren interactuar con seres vivos u otras bionanomáquinas para poder desempeñar las tareas específicas que son capaces de realizar”. Se puede ejemplificar esto por medio de la siguiente situación: es posible utilizar nanodispositivos que actúan como viajeros portadores de medicamentos de efecto específico sobre ciertos tejidos y otras bionanomáquinas, pero la opción de utilizar bionanomáquinas no es aún visible o fácil.

¿Que es bionanotecnología?

El prefijo 'bio' indica la intervención de organismos vivos en alguna práctica o ambiente. Por ejemplo: bioacústica es el estudio de la relación que existe entre los organismos vivos y el sonido; la biofísica estudia los fenómenos biológicos y estructuras de

los organismos vivos mediante los principios y métodos de la física14. Siguiendo esta rutina, puede definirse bionanotecnología (o nanobiotecnología, según quiera escribirse) al combinar las definiciones de nanotecnología y biotecnología. entonces se puede inferir que la bionanotecnología es el estudio de los procedimientos tecnológicos en los que intervienen organismos vivos (microorganismos) o sus componentes, bajo la interacción o implantación de nanopartículas. Como muchas de las bionanomáquinas son componentes de los organismos vivos, también es lícito sugerir como definición alternativa y algo coloquial, que la bionanotecnología es el uso simultáneo de bionanomáquinas y nanomateriales (nanotubos, fullerenos, zeolitas, nanobarras y otras nanopartículas)

Veamos algunos casos selectos que involucran bionanotecnología, no pretenden generalizar sobre la práctica, pero pueden ser una vía de iniciación en el tema y quizá puedan formar en el lector una idea más completa de los alcances de la fusión entre (bio)máquinas y materiales nanoescalares:

Magnetomicelas para la liberación a control remoto de medicamentos no solubles en agua se realizan exitosamente al encapsular nanopartículas magnéticas junto con el medicamento dentro de micelas de un polímero (poliacrilato entrecruzado). El nanodispositivo puede entonces enviarse o inyectarse dentro del torrente sanguíneo y cuando se ubican en el lugar objetivo se accionan por medio de un transmisor de radio (en kilohertz). De esta manera se calienta localmente la nanomáquina sin afectar el tejido circundante y el medicamento actúa exclusivamente sobre el tejido comprometido. En principio, los nanodispositivos deben guiarse hasta al área de trabajo, pero puede ser más fácil si la nanomáquina se torna en bionanomáquina, utilizando motores con capacidad de detección como el nanomotor que utiliza el virus φ29 para empacar ADN. La bionanomáquina en cuestión mide apenas 30 nanómetros y está dotado de seis unidades de ARN-polimerasa con sitios de unión disponibles de ATP para propulsar el motor (para recordar la forma de locomoción, el lector puede referirse a la forma de operación de motor de ATP-Sintetasa). Este tipo de nanomáquina puede ser encendida y apagada a voluntad del operario (¡operario humano, por supuesto!).

Las células pueden etiquetarse por medio de nanopartículas que pueden insertarse, ya como puntos cuánticos, o como nanobarras, nanotubos o nanopartículas individuales. Un caso exitoso ha sido el reportado por el grupo de investigación de Debabrata Mukhopadhyay, quienes han logrado internar nanobarras de ortofosfato de europio y terbio, dentro de células vivas y monitorearlas en tiempo real15, haciendo énfasis en casos de interés contemporáneo como lo es el monitoreo de células cancerígenas (células renales). Esta técnica de identificación de células vivas parece ser más efectiva que algunas técnicas de pigmentación in vivo, pues las nanobarras retienen sus

14 Definiciones tomadas de la Enciclopedia Espasa 2007. © Editorial Espasa Calpe, S.A., 2006.15 referencia 19

propiedades fluorescentes aún dentro de células vivas del cuerpo humano16. Estás nanobarras pueden presentar diámetros de 10 a 60 nanómetros, un tamaño similar al de muchas nanopartículas. Un material tan común como la ferrita (óxido de hierro magnético) puede ligarse a enzimas en cualquier sitio funcional que contenga un grupo aldehído, previa activación de la nanopartícula de ferrita con grupos funcionales carbo-diimida. Esta unión de nanopartículas y bionanomáquinas mejora el desempeño natural de las últimas, haciendola, Incluso, superior a otras bionanomáquinas que pierden sus propiedades y actividad al someterse a valores de pH extremos y sustratos de díficil acceso17.

En una anotación anterior se hizo referencia a la afinidad que presentan las nanopartículas de plata por los receptores proteínicos del virus VIH-1, pero la bionanotecnología también ha avanzado hacia la generación de nanopartículas por las misma bionanomáquinas. Investigadores de la Univerisidad de Campinas (Brasil) han encontrado que el hongo Fusarium oxysporum puede ser una fuente de nanopartículas de plata18. Las enzimas reductoras en las células de estos hongos pueden convertir iones de soluciones de compuestos de plata (Ag+1) hacia la forma elemental (Ag0), formando coloides (hydrosoles) metálicos de tamaños comprendidos entre 20 y 50 nanómetros. La potencialidad de esta actividad exótica de estas bionanomáquinas puede servir para evolucionar en la lucha contra el sida y otras enfermedades, ya que las nanopartículas de plata también exhiben afinidad por otros microorganismos, pudiendo inhibirlos en sus actividades y desarrollo, es decir, se convierten en un agente antibacterial.

Se ha encontrado que la conjunción nanopartículas-bionanomáquina es de amplia utilidad; los sistemas biológicos son influenciados por tales materiales. El silicio, oro y óxidos de hierro tambien presentan interacciones con algunas bacterias y pueden deprimir el caráter tóxico de tales entes vivientes19. A pesar de que las bacterias son causantes de muchas enfermedades, a veces pueden ser útiles, y en lo que respecta a la bionanotecnología, unas nanopartículas creadas por estos seres, son de un particular interés: las esporas bacteriales. Dichas partículas miden algunos cientos de nanómetros, parecen materiales inertes, pero no hay nada más falso que eso. Son bionanomáquinas muy robustas y resistentes que encierran en su estructura la vida letárgica de nuevas bacterias. Una espora posee una cubierta múltiple y flexible de proteínas que es resistente a ambientes extremos, sobre todo a temperaturas elevadas, lo que hace que un procedimiento de esterilización deba ser muy exigente para poder destruir una espora. Estas caracteristicas que le permiten su supervivencia las hacen suceptibles para usar una espora, o su recubrimiento proteínico, como vehículo

16 La fluorescencia no es evidente a simple vista, se requiere emplear equipos de espectroscopía de fluorescencia 17 referencia 2018 referencia 2119 referencia 22

para vacunas, drogas o enzimas20, aunque también es de gran interés recrear estructuras tan resistentes para producir bionanomáquinas con el potencial de funcionar y sobrevivir en medios hostiles.

La lista de nanomateriales en interacción con bionanomáquinas es extensa, para tratar de resumir, además de las funciones de etiquetas biológicas, detección de entes patógenos y medios de liberación controlada de medicamentos, puede modificarse una bionanomáquina (y también una nanopartícula) para detectar compuestos biológicos como proteínas, ADN, tumores, separar y purificar moléculas. Es usual en bionanotecnología, que la nanopartícula (por lo general inorgánica) se encuentre encerrada al interior de la bionanomáquina. El tamaño de dichas partículas es equiparable al que poseen diversas proteínas como las enzimas, hormonas, antígenos y el ADN. La modificación de las funciones de la bionanomáquina están regidas por los efectos cuánticos correspondientes al tamaño de la nanopartícula; por lo tanto, es muy importante, y distinto, el comportamiento que se obtiene al modificar el tamaño del nanomaterial que interactua o contiene una bionanomáquina.Un caso descriptivo para esta relación tamaño-efecto, se aprecia en una práctica común, como la aplicación de prótesis en huesos. Los osteoblastos, unas bionanomáquinas encargadas del desarrollo de nuevas superficies en los huesos y su crecimiento, no proliferan en prótesis cuya rugosidad no es adecuada. Un implante debe poseer nanoestructuras que simulan la rugosidad ósea natural para estimular la adherencia al hueso. Si un osteoblasto encuentra una superficie demasiado lisa o rugosa, el implante no es aceptado y habrá inflamación y quizá deba ser retirado. Si las nanoestructuras grabadas en la superficie del implantes poseen los nanómetros esperados, los osteoblastos serán generados y el implante se asimilará con mayor facilidad al cuerpo.

En la tabla 4.1 se listan algunas aplicaciones más que se valen de bionanotecnología y las empresas más representativas que investigan en estos campos.

Tabla 4.1. Aplicaciones selectas de bionanotecnología y empresas vinculadas e estos proyectos.

Práctica bionanotecnológica Empresas representativas

Filtración de endotoxinas, ADN y proteínas en cerámica nanoporosa.

Argonide

Nano-miniaturización de medicamentos (50-100nm) para incrementar su eficiencia.

Eiffel Technologies

Captura selectiva de células por nanopartículas poliméricas con un núcleo

Immunicon

20 referencia 23

Práctica bionanotecnológica Empresas representativas

magético y un recubrimiento de anticuerpos.

Nanocristales de plata y nanoemulsiones antibacteriales.

Smith & Nephew, NanoBio Cortporation

Encapsulamiento de proteínas, ADN y medicamentos,.

NanoCarrier Co. Ltd,

Códigos de barras hechos con ADN Nanoshpere, Inc.Fuente: adaptado de O. V. Salata, Journal of Nanobiotechnology21.

De las últimas aplicaciones de la tabla, se desprende un complejo, pero cautivante campo: la manipulación de ADN. Algunas aplicaciones se exponen con mayor profundidad en un próximo capítulo de este libro, pero en lo concerniente a bionanotecnologia y dejando un poco de lado las aplicaciones de avanzada, Es posible utilizar cadenas de ADN para crear estructuras y patrones geométricos arbitrarios. Este tipo de aplicaciones suelen requerir secuencias de ADN muy puras, en concentraciones equimolares y adecuadamente diseñadas para evitar interacciones no deseadas (nuevamente de vuelta a la idea de actividad electrónica, afinidad química y complementariedad geométrica reiterada desde el comienzo de capítulo). Pero la validez de las reglas necesarias para el auto-ensamblado de nanoestructuras puede trasgredir levemente algunas de las anteriores reglas. En algunos casos exitosos se ha visto como, a partir de moléculas pequeñas, se pueden obtener estructuras complejas obtenidas mediante organización espontánea22. El caso del plegamiento del ADN es un ejemplo preciso de la posibilidad fácil, reproducible y económica de obtener nanoestructuras orgánicas complejas y arbitrarias. En la figura 14 se muestra una imagen generada por computador, de una secuencia de ADN del virus M13mp18 plegado por Paul Rothemund, el cual recrea (o imprime) una imagen. Es una especie de nanolitografía con ADN. El procedimiento que logra generar estas conformaciones arbitrarias puede ser transferido al dibujo de circuitos y otros dispositivos que incluyan la interacción o uso de bionanomáquinas.

21 El diario de bionanotecnología (journal of bionanotechnology) puede ofrecer al lector algunos trabajos actuales de nanotecnología con proteínas, ADN, microorganismos, sensores biológicos y en general, bionanomáquinas funcionalizadas con nanopartículas. Los trabajos son de libre acceso. La dirección principal es http://www.jbionanotechnolology.com.22 Ver referencias 24 a 28

Figura 14. Silueta del mapa de América elaborada con ADN plegado espontáneamente.(reproducida con permiso de Paul W. K Rothemund).

En el futuro próximo, se prevé la posibilidad de utilizar todos estos nanodispositivos para beneficio de nuestra salud y desarrollo económico, a la par que se continuen obteniendo nuevas técnicas para la manipulación nanoescalar de las moléculas. Cómo quizá se pueda inferir de alguno de los anteriores casos de bionanotecnología; ésta apoya y se encadena a la nanomedicina, valiéndose de muchas propiedades que proporcionan los nanomateriales.

Es una visión generalizada entre los científicos dedicados a la bionanotecnología, que en un mediano plazo (~10 años) sea posible la programación exitosa de nanomáquinas y células. Ya no solo con fines médicos, sino electrónicos, agrícolas y computacionales. En la bionanotecnología ya no solo hay fragmentos de células o bionanomáquinas individuales; cada vez se fusionan a la nanotecnología disciplinas que, en apariencia, no preentaban conexiones, pero que se hacen vecinas al poseer en sus dominios la posibilidad de ofrecer respuestas. Al comenzar este capítulo, se postuló a la naturaleza misma como la pionera en nanotecnología., siendo estos inicios, en realidad bionanotecnología, la cual permaneció invisible a nuestros ojos durante siglos, aunque intuida permanentemente.

Para finalizar, utilizaré y adaptaré una frase del Dr. Luis Echegoyen23: “en (bio)nanotecnología ocurren muchos fracasos, y gran parte de los pocos éxitos se deben a la casualidad. Pero si no se fracasa, no se aprende la forma correcta de hacer este tipo de

23 El profesor Luis Echegoyen es especialista en química de fullerenos y nanotecnología. Se desempeña como docente e investigador en la Universidad de Clemson, en el Estado de Carolina del Sur (Estados Unidos de Norteamérica).

ciencia”. ¡No hemos acaso conocido de la ciencia y de la historia misma, cuánto tiempo le tomó a la naturaleza crear la primera bionanomáquina!

4.8 Referencias y notas

Las imágenes de proteínas utilizadas como suplemento y ambientación en este capítulo fueron (en su mayor parte) extraídas y/o modificadas bajo autorización; a partir de modelos publicados en www.rscb.org/pdb/index.html. Agradezco al Doctor David S. Goodsell, del Scripps Research Institute, y su ilustrador, quienes son autores de algunas de las imágenes en mención.

Si el lector lo desea, puede acceder a la base de datos www.pdb.org y visualizar distintas opciones de dibujo de cada molécula. Los códigos de identificación de cada una para su búsqueda son los que se listan a continuación:

- Virus del polio: 2plv- Virus de la influenza (rinovirus): 4rhv- Anticuerpos: 1igt, 1fdl, 3hfl, 3hfm- ATP Sintetasa: 1e79- Canal de potasio: 1k4c- Centros de reacción fotosintético: 1jb0, 1fe1, 1prc, 1s5l, 1rwt - Proteínas fluorescentes: 1gfl, 1kys- Receptor de acetilcolina: 2bg9Para visualizar correctamente las estructuras de las bionanomáquinas, puede

utilizarse un visualizador como RasMol®, por ejemplo. Si se desea profundizar en los temas relacionados, se recomiendan los siguientes

textos y documentos:

1. GOODSELL David. (2004), “Bionanotechnology: Lessons from Nature”, Wiley-Liss (John Wiley and Sons), 2004, 352 páginas, New York, ISBN: 047141719X.2. GOODSELL David. (1993), “The Machinery of Life”, Springer-Verlag Telos, 1993, 140 páginas, ISBN: 038797846.3. TONDA Juan. (1998), “El oro solar y otras fuentes de energía”; Fondo de Cultura Económica, Segunda edición, 1998, México D.F., México.4. GOMI Keiko, KAJIYAMA Naoki. (2001), “Oxyluciferin, a Luminescence Product of Firefly Luciferase, Is Enzymatically Regenerated into Luciferin”, En Journal of Biological Chemistry; Volumen 276, fascículo 39, páginas 36508-36513; Septiembre 28 de 2001. Disponible en: www.jbc.org/cgi/content/full/276/39.5. DAS, R., ZHANG Shuguang, BALDO Marc. (2004), “Integration of photosynthetic protein molecular complexes in solid-state electronic devices”. En: Nano Letters, Volumen 4 (Junio de 2004), páginas 1079-1083.6. VAUTHEY Sylvain, SANTOSO Steve, GONG Haiyan, et al. (2002), “Molecular self-assembly of surfactant-like peptides to form nanotubes and nanovesicles”. En: Proceedings

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