El primer prototipo de músculos artificiales hecho con proteínas naturales lo ha conseguido un equipo multidisciplinar de investigadores y clínicos alemanes de la Universidad de Friburgo, que controlan las contracciones autónomas por una reacción química que consume energía molecular.
Los doctores Stephan Schiller y Matthias Huber, coordinadores del estudio que aparece en Advanced Intelligent Systems, advierten de que se trata de un primer prototipo, aunque -señalan- la alta biocompatibilidad del material y la posibilidad de ajustar su composición para que coincida con un tejido en particular “podría allanar el camino para futuras aplicaciones en medicina reconstructiva, prótesis, o robótica blanda”, apunta Schiller.
Es bien sabido que, hace años, equipos de investigadores se basaron en proteínas naturales para desarrollar sistemas de músculos artificiales. Las convirtieron en minúsculas máquinas moleculares o en polímeros. Sin embargo, hasta ahora no ha sido posible desarrollar materiales musculares sintéticos que sean totalmente de base biológica y se muevan de forma autónoma con la ayuda de energía química.
El material utilizado ahora se basa en la elastina, una proteína fibrosa natural que también se encuentra en las personas, por ejemplo, para dar elasticidad a la piel y los vasos sanguíneos.
Como explican en su estudio, siguieron el modelo de esta proteína para desarrollar dos proteínas similares a la elastina, una de las cuales responde, por ejemplo, a las fluctuaciones del pH; la otra, a los cambios de temperatura. Los científicos combinaron las dos proteínas por medio de enlaces cruzados fotoquímicos para formar un material bicapa. Destacan que, en este proceso, es posible dar forma flexible al material y establecer la dirección de su movimiento.
Contracciones rítmicas
Estos científicos consiguieron inducir las contracciones rítmicas utilizando una fuente de energía química como combustible, concretamente sulfito de sodio. En una reacción química oscilante en la que el pH cambia en ciclos debido a un enlace especial de varias reacciones, la energía añadida se convirtió en energía mecánica a través de estados de no equilibrio del material.
De esta forma -detallan en su trabajo-, consiguieron que el material se contrajese de manera autónoma y cíclica. También pudieron activar y desactivar las contracciones con la ayuda de los cambios de temperatura: la reacción química oscilante comenzó a una temperatura de alrededor de 20 grados centígrados y el material comenzó a realizar movimientos rítmicos.
En el proceso, fue posible programar ciertos estados para que el material asumiera y restablecerlos nuevamente con otro estímulo.
El profesor Schiller explica que “dado que se deriva de la proteína elastina natural y es producido por nosotros a través de medios biotecnológicos, nuestro material se caracteriza por una alta sostenibilidad que también es relevante para aplicaciones técnicas. En el futuro, el material podría desarrollarse aún más para responder a otros estímulos, como la concentración de sal en el ambiente, y consumir otras fuentes de energía, como el malato derivado de la biomasa”.
Músculos artificiales de base biológica
Como hace hincapié este investigador, “si bien los músculos y los motores de proteínas biológicas funcionan con la hidrólisis del trifosfato de adenosina, no se describen músculos artificiales de base biológica operando de forma autónoma usando energía química para ejercer movimientos direccionales”.
En su trabajo, se introduce un músculo de proteína artificial que ejerce movimientos autónomos rítmicos a través de estados de desequilibrio impulsados por reacciones de oscilación de pH alimentadas químicamente.
La clave del diseño son las proteínas de la matriz humana producidas de forma recombinante y rediseñadas selectivamente para responder a diferentes estímulos. Los resultados también muestran cómo los movimientos direccionales pueden desencadenarse de forma independiente mediante cambios en el pH y la temperatura, incluido un interruptor de encendido selectivo y una combinación de estados de desequilibrio que permiten efectos materiales similares al aprendizaje y el olvido.
“Esto –subraya Schiller- allana el camino para la próxima generación de materiales autónomos en biofarmacia, robótica blanda y materia viva, al ejercer movimientos autónomos rítmicos a través de estados de no equilibrio impulsados por reacciones de oscilación de pH alimentadas químicamente. La clave del diseño son las proteínas de la matriz humana producidas de forma recombinante y rediseñadas selectivamente para responder a diferentes estímulos”.
