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/