Un equipo interdisciplinar de investigadores de la Universidad alemana de Bonn ha diseñado y construido un nanomotor novedoso, impulsado por un mecanismo inteligente y que puede llevar a cabo movimientos pulsantes.
Los detalles de este logro, impensable hace sólo unos años, aparecen en un estudio experimental, que difunde Nature Nanotechnology, en el que también han participado científicos de las universidades de Michigan y Arizona.
Impulsado por un mecanismo inteligente, puede realizar movimientos pulsantes. Ahora, los investigadores intentan equiparlo con un acoplamiento e instalarlo como accionamiento en máquinas complejas.
La ingeniería molecular busca crear entidades funcionales para uso modular en el diseño ascendente de nanoensamblajes que puedan realizar tareas complejas. Dichos sistemas requieren nanomotores que consuman combustible y que puedan impulsar activamente seguidores pasivos aguas abajo.
La mayoría de los motores moleculares artificiales son impulsados por movimiento browniano en el que, con pocas excepciones, las fuerzas generadas no se dirigen y son insuficientes para una transferencia eficiente a componentes pasivos de segundo nivel.
En consecuencia, todavía no se han creado sistemas eficientes de impulsor-seguidor a nanoescala impulsados por combustibles químicos.
Este equipo germano-estadounidense ha conseguido una nanomáquina de ADN (70 nm × 70 nm × 12 nm) impulsada por la energía química de trifosfatos de nucleósidos, que consumen transcripción de ARN con plantilla de ADN como combustible, para generar un movimiento pulsante rítmico de dos brazos rígidos de origami de ADN.
Además, han demostrado que el control de actuación y el simple acoplamiento de la nanomáquina activa con un seguidor pasivo, al que luego transmite su movimiento, formando un verdadero par conductor-seguidor.
Nanomotor de ADN
Vídeo: Universität Bonn
El motor funciona como un controlador mecánico que puede accionar un seguidor pasivo, abriendo oportunidades para su uso futuro en el manejo de nanomáquinas más complejas, similares al volante de un reloj o al carro autopropulsado de Leonardo da Vinci.
Similar a los ejercitadores o grips de manos, se impulsa por un mecanismo inteligente y puede realizar movimientos pulsantes. Sin embargo, es aproximadamente un millón de veces más pequeño. Dos asas se conectan por un resorte en una estructura en forma de V.
Para su construcción, los investigadores utilizaron herramientas de modelado informático. Además, se integra de cerca de 14.000 nucleótidos, las unidades estructurales básicas de la molécula de la vida. Es la primera vez que se ha diseñado con éxito un motor de nanotecnología de ADN impulsado químicamente.
El combustible, una ‘sopa de letras’
¿Y el combustible? Este nanomotor también necesita energía como cualquier otro. Lo proporciona la sopa de letras a partir de la cual la polimerasa produce las transcripciones. Cada una de estas letras (en el argot bioquímico, nucleótidos) tiene una pequeña cola que consta de tres grupos fosfato.
Para añadir una nueva letra a una frase existente, la polimerasa tiene que eliminar dos de estos grupos fosfato. Este proceso libera energía que puede utilizar para unir las letras. “Por eso nuestro motor utiliza trifosfatos de nucleótidos como combustible. Sólo podrá seguir funcionando cuando haya un número suficiente de ellos disponibles”, puntualiza el profesor Famulok, autor principal.
Los colaboradores de la Universidad de Michigan, en EE UU, comprobaron mediante el seguimiento de cada nanomotor que realmente realizan el movimiento esperado. Un grupo de investigación de la Universidad Estatal de Arizona también simuló el proceso en ordenadores de alta velocidad. Los resultados podrían usarse, por ejemplo, para optimizar el motor para que funcione a una frecuencia de pulsación particular.
Además, los investigadores pudieron demostrar que el motor se puede combinar fácilmente con otras estructuras. Esto debería permitirle, por ejemplo, deambular por una superficie, de forma similar a un gusano que se arrastra a lo largo de una rama con su estilo característico.
“También estamos pensando en construir un tipo de embrague que permitirá utilizar la potencia del motor sólo en determinados momentos y, en caso contrario, dejarlo en ralentí”, continúa Famulok. A largo plazo, el motor podría convertirse en el corazón de una nanomáquina compleja. Sin embargo, “aún queda mucho trabajo por hacer antes de llegar a esta etapa”, reconoce este investigador.
