Empecemos por el principio; Los nanomateriales

El concepto inicial de la investigación de materiales y sistemas biológicos a nanoescala, data de hace más de 40 años, cuando Richard Feynman, presenta una lectura en 1959 en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física en el Instituto Tecnológico de California. Esta lectura, titulada “There`s plenty of room at the bottom“,es considerada la primera mirada al mundo de los materiales, especies y estructuras a nivel nanoescalar. Pero Feynman no abundó demasiado en sus reflexiones y de hecho sus palabras no tuvieron demasiada trascendencia hasta comienzos de los 80, cuando un estudiante de pregrado del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Eric Drexler, insinuó la posibilidad de crear sistemas de ingeniería a nivel molecular. En 1986 lo publicó en un libro con el título de “Los motores de la creación” considerado como un clásico de este nuevo mundo.

Nanomateriales. ¿Qué son?

Hoy en día, los materiales creados a esta escala, denominados de forma general, nanomateriales, suponen una gran novedad respecto a los materiales tradicionales, no solo en cuanto a su tamaño, sino principalmente por sus características. Muchas de las propiedades de los materiales dependen de cómo se comporten los electrones que se mueven en su seno y de cómo estén ordenados los átomos en la materia. En un nanomaterial, el movimiento de los electrones está muy limitado por las dimensiones del propio material. Además, la proporción de átomos en la superficie con respecto al interior es mucho más alta que en materiales de tamaño más elevado. (Ojo! que esto es lo importante!) Por consiguiente, si reducimos las dimensiones de un material, modificaremos sus propiedades y en consecuencia podremos diseñar materiales con propiedades a la carta. (El carbono o grafito, deja de ser ese material débil a nivel macromolecular, para convertirse a nivel nano en nanotubos superresistentes)

Nanobiomateriales

Las nanoestructuras son similares en tamaño a algunas moléculas biológicas.Dichas macromoléculas comprenden una amplia variedad de estructuras básicas como los proteínas, carbohidratos y lípidos, por ello, poseen una gran variedad de propiedades químicas, físicas y funcionales. Esta variedad estructural y la versatilidad de estos sistemas y nanomateriales biológicos, tiene importantes implicaciones para el diseño, desarrollo y fabricación de montajes nuevos y artificiales que serían críticos para aplicaciones industriales, biotecnológicas y médicas. Para entender el complejo nanosistema biológico a nivel celular, necesitaremos desarrollar una siguiente generación de herramientas nanotecnológicas . Así, se cree que los nuevos avances venideros en ingeniería genética, genómica, proteómica, medicina y biotecnología, dependerán de nuestro dominio nanotecnológico. Cuando seamos capaces de juntar sistemas biológicos, junto con dispositivos a una escala atómica y molecular, podremos conseguir una versatilidad en el diseño, precisión en la construcción y un control de operaciones inimaginable en este momento.

Técnicas de nanofabricación

Existe una gran variedad de técnicascapaces de crear nanoestructuras con varios grados de calidad, rapidez y coste. Todas ellas se pueden agrupar en dos grandes grupos, “bottom-up” y “top-down”, que aunque se trata de técnicas opuestas en cuanto a su filosofía de operación, convergen en su finalidad.

El top-down, comienza el proceso de fabricación de nanoestructuras, a partir de materiales grandes, que se van reduciendo hasta tamaños a escala nanométrica. Estos métodos ofrecen fiabilidad y complejidad en los dispositivos, aunque normalmente conllevan elevados costes energéticos, una mayor imperfección en la superficie de la estructura así como problemas de contaminación. Los principales tipos de técnicas empleadas en este campo, son el corte mediante ingeniería de ultraprecisión, empleada sobre todo en la industria microelectronica de materiales, y la litografía, en donde se exponen los materiales a luz, iones o electrones, para conseguir los tamaños de material deseados.

La fabricación mediante métodos bottom-up abarca la construcción de estructuras, átomo a átomo, o molécula a molécula. El grado de miniaturización alcanzable mediante este enfoque, es superior al que se puede conseguir con el top-down ya que gracias a los microscópios de escaneado, se dispone de una gran capacidad para situar átomos y moléculas individuales en un lugar determinado.

La gran variedad de enfoques de este último conjunto de técnicas, se puede dividir en tres grandes categorías:

• Síntesis química: Consiste en la producción de materias primas, como moléculas o partículas, que pueden usarse directamente en productos en forma desordenada, formando bloques o niveles más avanzados de ordenamientos. El tipo de nanomaterial más conocido, empleando esta técnica, son las nanopartículas.

• Ensamblaje posicional: Esta es la única técnica, capaz de manipular y posicionar átomos y moléculas, uno a uno. Aunque contamos con instrumentación capaz de realizar estos procesos, el ensamblaje posicional es extremadamente laborioso y actualmente no es apropiado para llevarse a cabo a escala industrial.

El famoso logotipo de IBM es uno de los ejemplos de ensamblaje posicional en donde Eigler Schweizer, mediante STM (microscopio efecto túnel) consigió desplazar átomos de xenón sobre una superficie de níquel hasta formar el logotipo.

• Self-assembly o autoensamblaje: En este método de producción, los átomos o moléculas se colocan por si mismas en nanoestructuras ordenadas mediante interacciones químicas o físicas entre subunidades. Estos fenómenos se han dado en la naturaleza desde hace miles de años (cristales de sal, copos de nieve), sin embargo, a nivel industrial es relativamente novedoso.

Al igual que la formación de las micelas,los copos de nieve siguen fenómenos de autoensamblaje espontáneo.

El empleo de esta técnica a nivel industrial,supone una gran revolución puesto que no sería necesaria la intervención de ninguna clase de máquina, abaratando enormemente los costes.

Bibliografía y enlaces de interés

Feynman R : There`s a plenty of a room at the bottom. Engineering and Science 1960, 22-36

Eric Drexler. La nanotecnología. El surgimiento de las máquinas de creación. Gedisa Editorial, Barcelona, 1993

The Royal Society & The Royal Academy of Engineering. Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties. | July 2004 | Nanoscience and nanotechnologies

http://www.azonano.com/

Nanomáquinas

Cuando la gente habla de nanomáquinas o motores moleculares y sus aplicaciones, inicialmente se tiende a pensar en un sistema macroscópico, una máquina tal y como la conocemos, pero a pequeña (muy pequeña) escala definiéndolas como ensamblaje de componentes moleculares discretos diseñados para generar una respuesta mecánica, a un estímulo externo.

Al igual que las máquinas macroscópicas, las nanomáquinas, se pueden clasificar en función de factores tales como el movimiento que realizan sus componentes, tiempo de operación, clase de energía usada para funcionar, etc … Dentro de este último punto existen diversos tipos de energía impulsora de sus acciones:

La energía química: La más empleada en este tipo, es la energía redox. Se descarta por completo la combustión, puesto que a esta escala es impensable. La introducción de combustibles es uno de los problemas principales puesto que se generan productos indeseables que pueden comprometer el proceso por lo que la necesidad de introducir en el sistema, un dispositivo que los elimine, es una limitación importantísima para la construcción de estas máquinas moleculares.

La energía luminosa: En la naturaleza, las plantas, son capaces de generar energía a partir de la luz solar, por lo que al igual que hay máquinas comunes que funcionan mediante esta energía, también se puede hacer en las moleculares. Dentro de esta categoría podemos usar dos clases: la fotoisomerización y la fotoinducción redox. Además ofrece la gran ventaja, de su rapidez y facilidad en el apagado de la máquina.

Juntando los progresos de varias ramas como la biología, física, química y ciencias de los materiales, se han desarrollado varios tipos de máquinas moleculares. Existen gran variedad de dispositivos como pinzas ópticas, propellers, rotores, giroscopios…etc, pero solo citaré unos pocos, dejando bibliografía por si es de interés.

Rotores: Existen dos tipos : motor azimutales cuyo eje de rotacion es perpendicular a la superficie, y altitudinales en los que es paralelo. Está controlados por energía electroquímica. Las aplicaciones son en gran cantidad de dispositivos y máquinas en los campos de la nanoelectrónica, nanofotónica o nanofluidos.

Válvulas: Una válvula clásica es una máquina construída por combinación de componentes que regulan el flujo de gases o líquidos entre dos reservorios. A nivel molecular, esto requiere la integración de inertes y estables nanocontenedores con una parte en movimiento apropiada para regular el transporte entre dentro y fuera del contenedor. Estas nanoválvulas, pueden ser usadas para liberación controlada de fármacos, transducción de señales, sistemas de nanofluídos y sensores. El control de estos sistemas, se puede hacer por transporte fotoquímico, estimulación mecánica de componentes o reacciones electroquímicas.

Transportadores moleculares: Un problema fundamental a la hora de diseñar máquinas que interaccionen con la superficie, consiste en que dichas interacciones pueden impedir el movimiento y en algunos casos dichas fuerzas de interacción, pueden suponer la ruptura del sistema. Para evitar estos fenómenos indeseables se han diseñado estructuras concretas. Los l»andres», minimizan las interacciones de las partes móviles con la superficie. Los «wheelbarrows», se crean para evitar los movimientos rotaciones de las moléculas. Los «nanocars», llevan en sus extremos furelenos que ruedan a través de las superfícies.

Propulsores: Como se puede ver en las figuras, mediante reacciones químicas, que generan burbujas, se puede crear nanopropulsores. El problema actual de estos, es saber cómo podemos controlar la dirección del desplazamiento de los mismos.

Ascensores: Se juntan dos estructuras que por acción de altas temperaturas convierten al sistema en un elevador mecánico.

Dentro de estas nanomáquinas, tenemos ejemplos muy cercanos, tan cercanos, como que estamos formadas por ellas. Las células pueden ser vistas como fábricas en miniatura que contienen una gran colección de maquinaria proteica. Considerando la gran complejidad de las células, y a pesar de esto, son capaces de generar una copia de sí misma en menos de una hora y pueden detectar y corregir errores el ADN. Estos sistemas sofisticados, llevan optimizándose durante millones de años por medio de la evolución. Por el momento, nosotros solo podemos soñar con construir sistemas similares a ese tamaño o bien emplear su funcionamiento fusionándolas con nuevos sistemas que nos produzcan algún resultado de interés.

ATP sintetasa: La proteína consta de dos motores moleculares rotatorios acoplados a un sitio común para rotar en direcciones opuestas. El motor F1, usa la energía de la hidrólisis del ATP para rotar en una dirección mientras que el Fo usa la energía almacenada en el gradiente electroquímico transmembrana para girar en la dirección contraria.

Siguiendo este mecanismo, se ha diseñado un dispositivo nanomecánico, híbrido; Por una parte con una dispositivo de níquel, como sustrato, por otra parte con el F1 ATPasa modificado específicamente para que encaje con el dispositivo alargado.por último un rod de niquel. El movimiento comenzaría con la adición de ATP e inactivado por NaN3 y inhibidor de F1. La probabilidad de éxito al rotar, es muy baja debido a que el ensamblaje de sus componentes, sea defectuosa.Aun así, estos experimentos, demuestran la posibilidad de integrar los sistemas biológicos, con la ingeniería de materiales, para generar nanomáquinas.

Motores lineales. Enzimas como miosina y kinesina son motores lineares que se pueden mover a lo largo de sustratos poliméricos convirtiendo la energía de la hidrólisis del ATP en trabajo mecánico; la miosina se mueve a lo largo de de filamentos de actina en el músculo y otras células, mientras que la kinesina, lo hace a lo largo de los microtúbulos. El movimiento es derivado de un ciclo mecánico durante el cual el motor proteico se une a sucesivos sitios a lo largo del sustrato.

Los dispositivos basados en esta clase de motores se pueden enfocar desde dos perspectivas, fijando el sustrato al microtúbulo y moviéndose la kinesina a modo de coches por una carretera, transportando los objetos de interés o bien anclando la kinesina a una superficie, y moviéndose el microtúbulo , propulsado por la kinesina.

ADN polimerasa: El mecanismo de adición de nucleótidos de la polimerasa podría tratarse también como un motor lineal. Siguiendo con esta técnica, se han sintetizado rotaxanos capaces de imitar esos enzimas. Consisten en una cavidad constituída por un macrociclo de porfirina en el cual se inserta un polímero que funcionaría como sustrato. El macrociclo, realizaría el movimiento a través del polímero mientras que mediante una reacción de catálisis, se haría la conversión de este polímero sencillo, en uno doble. ( oxígenoà paso a dobles enlaces-à grupos epóxidos)

Flagelo Bacteriano: Incluído en el grupo de motores rotatorios.

Como apartado especial, y dando rienda suelta a la ciencia ficción (aunque los dispositivos que se citarán a continuación son reales), añadiré que existen nanorobots, o nanobots. Éstos, están incluídos dentro de las nanomáquinas, pero realizan una tarea más completa y complicada. Son capaces ( o serán capaces) de introducirse en nuestro cuerpo y realizar tareas de reparación o protección.

Respirocitos. Con una sola micra de diámetro, este robot esférico imita la acción de la hemoglobina natural que se encuentra en el interior de los hematíes, aunque con la capacidad de liberar hasta 236 veces más oxígeno por unidad de volumen que un glóbulo rojo natural. Los respirocitos incorporarán sensores químicos, así como sensores de presión. De esta forma estarán preparados para recibir señales acústicas del médico, que utilizará un aparato transmisor de ultrasonidos para darles órdenes con el fin de que modifiquen su comportamiento mientras están en el interior del cuerpo del paciente.

Microbívoros: Fagocitos mecánicos concebidos para destruir cualquier microbio de nuestro torrente sanguíneo. Utilizando un protocolo digestivo y de descargas actuarán, según estima su creador, hasta 1000 veces más rápido que las defensas naturales.

Clottocitos: Plaquetas artificiales que responden de manera mucho más rápida que las artificiales (en menos de un segundo) Además, mientras que en el cuerpo humano, se necesitan de alrededor de 300 plaquetas para iniciar la respuesta, en este caso, con soloamente una, se iniciaría , gracias a la comunicación existente con sus vecinas. Son 10000 veces más efectivas que las naturales.

Vasculocitos: intentan ser usados para reparar las lesiones de la capa aterosclerótica. Funcionan hinchando y deshinchando la superficie.

Bibliografía y enlaces de interés:

Artificial Molecular Machines. Vincenzo Balzani, Alberto Credi, FrançiscoRaymo and J. Fraser Stoddart. Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3348-3391

A molecular Elevator. Jovica D. Badjic et al. Sciencie 303, 1845 (2004)

Molecular Machines Working on Surfaces and at Interfaces. Vincenzo Balzani, Alberto Credi and Margherita Venturi. ChemPhysChem 2008, 9, 202-220

Motor Proteins at Work for Nanotechnology. Martin G.L. van der Heuvel and Cees Dekker.Science vol 317, 20 july 2007

http://www.rfreitas.com/

http://www.molecularassembler.com/

Mi sueño

Ayer, tarde en la biblioteca grande de derecho (Conchi para los amigos), escribiendo el proyecto casi a carreras, levantando la cabeza de vez en cuando y cachando a los de al lado mirando con cara rara sobre lo que estaba escribiendo…..Tenía el presentimiento, durante todo el día, tenía la sensación que ocurriría.

Recojo todo ya para marchar, pero antes, abro por última vez en la tarde, por más o menos, decimocuarta vez en la tarde, el correo de la USC….sale como de costumbre, mi ventana rosa, que a todo el mundo le choca (porque no saben que se puede configurar para poner el color que quieras jeje), y oh! sorpresa, un correo….un sábado, a las 9 de la noche, un correo a mi cuenta de la USC, raro raro raro….sobre todo porque ya me había dado de baja de aquella página cojonera que me enviaba dos mails todos los fines de semana. Clikeo, y ahí está, el nombre del investigador que oferta la FPI….Con los nervios agarrotaos, me levanto de la silla, como si tuviera un resorte en el culo, y me voy cinco mesas más lejos a por David…»e-mail de Madrid…» Él se levanta como con otro resorte en el culo, vamos al PC…» Venga, ábrelo»…….

«…. mirando los CVs, al final he decidido ponerte a tí como mi primera opción…..»

Una gran sonrisa se nos dibuja en la cara, esa frase, ese momento, y todos los que vendrán , significarán muchísimo. No grité, porque lógicamente, en una biblioteca no se podía xD. El pulso me temblaba, hasta minutos después de haber pasado el momento.

Lo había conseguido, un vez más, lo había conseguido……

Una vez fuera….» bueno, esta noche salimos a cenar por ahí no? » 😀

Sí, aún no me lo creo…..aún ahora, como unas 12 horas después de saber la noticia, estoy pletórica. Después de haber gritado por teléfono a unas cuantas muchas personas la noticia, aún estoy que pego «chimpos» de alegría.

El destino, mi trabajo, o quizás la suerte, esa que parece que no me quiere abandonar, me dicen que….entro en el Centro Nacional de Biotecnología, cargada, como siempre, de mil y una ilusiones.

Esa niña, a la que de pequeña le encantaban los puzzles, que en COU quería hacer bioquímica porque le gustaban las proteínas, que entró en farmacia, porque no le dió por poco la nota para medicina….que en segundo de carrera, tras estudiar la asignatura de bioquímica, fue a preguntar donde se estudiaba ese segundo ciclo, del cual se olvidó, al descubrir en 3º la existencia de la Biotecnología…..que estuvo esperando año tras año, para ver si ponían el posgrado de biotec de Santiago, oficial, y así poder cursarlo. Que acabó la carrera y vió que por fin, al año siguiente estaría oficial…..que entró!……Que consigió el trabajo que ella quería, en el departamento de bioquímica, sobre proteínas, sobre saber como se construían esas proteinas, como encajaban….su puzzle….pensando así, que se había cerrado el ciclo de aquella niña……..Pero como mi pensamiento, es siempre aspirar a lo máximo, al final, y casi sin darme cuenta, casi sin quererlo, y por casualidades y circunstancias de la vida….por un enfado, por un berrinche y por un…»que les den a todos»….acabaré donde siempre quise estar,….donde para un biotecnólogo, le encantaría estar…..

Para mi, desde luego, es un gran honor…..por no decir, y perdónenme la expresión….que…..es la pollA!