Las células biológicas tienen la compleja y milagrosa capacidad de reconfigurar y cambiar la forma en que se comunican entre sí a lo largo del tiempo. permitiéndoles dirigir con agilidad funciones críticas en el cuerpo humano, desde pensar hasta caminar y combatir enfermedades. Un desafío importante en la ciencia de los materiales es el desarrollo de nanomateriales que puedan replicar aspectos de estas funciones celulares e integrarse con los sistemas vivos. En un artículo publicado hoy en Química de la naturaleza , un equipo de investigadores dirigido por científicos del Centro de Investigación Científica Avanzada (ASRC) en el Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York detalla cómo han creado materiales sintéticos con la capacidad de imitar algunos comportamientos normalmente asociados con la materia viva.

"La capacidad de autoensamblar, reconfigurar y desmontar en respuesta a señales químicas es un rasgo común en los materiales biológicos, pero no en los hechos por el hombre ", dijo Mohit Kumar, autor principal del artículo y científico del grupo de investigación de Rein Ulijn en la Iniciativa de Nanociencia de ASRC y Hunter College. "Si desea integrar materiales sintéticos en la biología, es deseable una interfaz perfecta, lo que requiere materiales que compartan algunas de las propiedades de la materia viva. Con suerte, nuestro enfoque abrirá la puerta a materiales artificiales que puedan interactuar con los sistemas vivos y repararlos ".

Desarrollar nanomateriales que se reconfiguran en respuesta a señales químicas, los investigadores comenzaron con la molécula base naftalenodiimida (NDI), que es un semiconductor orgánico. La molécula se modificó selectivamente en ambos lados exponiéndola a señales bioquímicas en forma de aminoácidos simples que se agregaron al sistema. Se usó una enzima para incorporar los aminoácidos en la molécula central, desencadenando rutas de autoensamblaje y desmontaje. Este proceso permitió la formación y degradación de nanomateriales con características similares a cables capaces de conducir señales eléctricas.

Usando diferentes aminoácidos, los investigadores pudieron dirigir el desarrollo de nanomateriales con diferentes propiedades, incluyendo una nanoestructura programable con la capacidad de encender y apagar la conducción eléctrica mediante el uso de autoensamblaje y desmontaje dependientes del tiempo.

"Como neuronas en el cerebro, Estos materiales exhiben una notable capacidad para remodelar sus conexiones eléctricas, "dijo Allon Hochbaum, coautor del artículo y científico de materiales de la Escuela de Ingeniería Samueli, Universidad de California, Irvine (UCI). "El ensamblaje de estas moléculas está codificado en su química dinámica, así que simplemente cambiando los insumos químicos, podemos observar nanomateriales aislantes, nanomateriales conductores, o nanomateriales que cambian dinámicamente entre estados conductores y no conductores. El hecho de que su ensamblaje y conductividad evolucionen en el agua hace que estos materiales sean aún más atractivos para las aplicaciones de interconexión biológica ".

El financiamiento para la investigación fue proporcionado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Investigación del Ejército. Los investigadores de la UCI desarrollaron los dispositivos para medir la capacidad de conducción eléctrica de los nanomateriales, mientras que los investigadores de ASRC desarrollaron los nanomateriales. El siguiente paso del equipo colaborativo es conectar los nuevos nanomateriales con neuronas reales para ver cómo interactúan los materiales biológicos y artificiales.

"Queremos ver si podemos utilizar los nanomateriales electroconductores dinámicos para interactuar eficazmente con las neuronas y dar como resultado su disparo eléctrico a demanda". "dijo Rein Ulijn, director de la Iniciativa de Nanociencia de la ASRC. "Aún estamos en las primeras etapas de ese aspecto del trabajo, pero lo que tenemos hasta ahora es un avance emocionante que demuestra la posibilidad de crear materiales artificiales que imitan un complejo, actividad dinámica de los sistemas biológicos. Estos nuevos nanomateriales tienen la capacidad de responder a señales químicas biológicamente relevantes y proporcionar una interfaz electrónica. A la larga, esto puede abrir un nuevo camino hacia el desarrollo de tratamientos que, hasta ahora, sólo han sido teóricos ".