En la línea de ensamblaje de nano, diminutos tubos biológicos llamados microtúbulos sirven como transportadores para el ensamblaje de varios objetos moleculares. Crédito:Samuel Hertig
Carros, Los aviones y muchos productos electrónicos se construyen ahora con la ayuda de sofisticadas líneas de montaje. Portadores de montaje móviles, sobre el que se fijan los objetos, son una parte importante de estas líneas de montaje. En el caso de una carrocería, los componentes del ensamblaje se unen en varias etapas de trabajo dispuestas en una secuencia espacial y cronológica precisa, resultando en un vehículo completo al final de la línea.
La creación de una línea de montaje de este tipo a nivel molecular ha sido un sueño de muchos nanocientíficos. "Nos permitiría ensamblar nuevas sustancias o materiales complejos para aplicaciones específicas, "dice la profesora Viola Vogel, jefe del Laboratorio de Mecanobiología Aplicada de ETH Zurich. Vogel ha estado trabajando en este ambicioso proyecto junto con su equipo y recientemente ha logrado un gran avance. En un artículo publicado en el último número de la Royal Society of Chemistry Laboratorio en un chip diario, los investigadores de ETH presentaron una línea de ensamblaje molecular con todos los elementos de una línea de producción convencional:un soporte de ensamblaje móvil, un objeto de montaje, componentes de ensamblaje conectados en varias estaciones de ensamblaje y un motor (incluido el combustible) para que el transportador de ensamblaje transporte el objeto de una estación de ensamblaje a la siguiente.
Línea de producción tres veces más delgada que un cabello.
A nivel nano, la línea de montaje adopta la forma de una plataforma de microfluidos en la que se bombea una solución acuosa. Esta plataforma es esencialmente un sistema de canales con el canal principal de solo 30 micrómetros de ancho, tres veces más delgado que un cabello humano. Varias entradas y salidas conducen hacia y desde el canal en ángulo recto. La plataforma fue desarrollada por el estudiante de doctorado de Vogel's, Dirk Steuerwald, y el prototipo se creó en la sala limpia del IBM Research Zurich en Rüschlikon.
El sistema de canales está equipado con una alfombra hecha de proteína motora kinesina. Esta proteína tiene dos cabezas móviles que son movidas por la molécula rica en energía ATP, que suministra energía a las células de los humanos y otras formas de vida y, por lo tanto, lo convierte en el combustible de elección en este sistema artificial.
El portador de ensamblaje se mueve a través de varias cámaras de reacción donde diferentes moléculas se unen a su superficie. El siguiente gráfico muestra la trayectoria de una sola lanzadera. Crédito:de Steuerwald et al. 2014
Ensamblaje de moléculas paso a paso
Los investigadores de ETH utilizaron microtúbulos como portadores de ensamblaje. Los microtúbulos son polímeros de proteínas en forma de hilo que, junto con la kinesina, transportan la carga alrededor de las células. Con sus cabezas móviles, la kinesina se une a los microtúbulos y los impulsa hacia adelante a lo largo de la superficie del dispositivo. Esta propulsión está respaldada además por la corriente generada por el fluido que se bombea al sistema de canales. Cinco entradas y salidas dirigen la corriente en el canal principal y lo dividen en segmentos estrictamente separados:un área de carga, de donde parten los transportistas de montaje, dos estaciones de montaje y dos estaciones finales, donde se entrega la carga.
Los investigadores pueden agregar los objetos al sistema a través de las líneas que abastecen los segmentos de ensamblaje. En su trabajo más reciente, probaron el sistema usando NeutrAvidin, la primera molécula que se une al nanoshuttle. Un segundo componente:un solo, hebra corta de material genético (ADN) - luego se une a la NeutrAvidina, creando un pequeño complejo molecular.
Las aplicaciones técnicas aún están muy lejos
Aunque el equipo de Vogel's ha logrado un sueño de larga data con este trabajo, el profesor de ETH se mantiene cauteloso:"El sistema aún está en pañales. Aún estamos lejos de una aplicación técnica". Vogel cree que han demostrado simplemente que el principio funciona.
Ella señala que, aunque la construcción de un sistema de nano-transbordador molecular de este tipo puede parecer fácil, Cada componente del sistema entra en una gran cantidad de esfuerzo creativo y conocimiento de diferentes disciplinas. La creación de una unidad funcional a partir de componentes individuales sigue siendo un gran desafío. "Hemos pensado mucho en cómo diseñar las propiedades mecánicas de las uniones para unir la carga a los transbordadores y luego descargarla nuevamente en el lugar correcto".
El uso de motores biológicos para aplicaciones técnicas no es fácil. Los motores moleculares como la kinesina deben eliminarse de su contexto biológico e integrarse en una entidad artificial sin perder su funcionalidad. Los investigadores también tuvieron que considerar cómo construir los transportadores de ensamblaje y cómo se verían las 'vías' y las estaciones de ensamblaje. "Todos estos son problemas separados que ahora hemos logrado combinar en un todo funcional, "dice Vogel.
Productos sofisticados de la línea de montaje nano
Los investigadores prevén numerosas aplicaciones, incluida la modificación selectiva de moléculas orgánicas como proteínas y ADN, el ensamblaje de componentes nanotecnológicos o pequeños polímeros orgánicos, o la alteración química de los nanotubos de carbono. "Necesitamos continuar optimizando el sistema y aprender más sobre cómo podemos diseñar los componentes individuales de este sistema de nanoshuttle para hacer posibles estas aplicaciones en el futuro". "dice la profesora de ETH. Las condiciones para futuras investigaciones en este campo son excelentes:su grupo ahora es parte del nuevo NCCR en Basilea - Ingeniería de Sistemas Moleculares:Ingeniería de módulos moleculares funcionales para fábricas.
