Trayectoria de un nano nadador helicoidal de sílice con plantilla controlado manualmente para moverse en un patrón aproximado de figura en ocho; la barra de escala es de 5 μm. Crédito:Jamel Ali
Una característica de las historias de ciencia ficción durante décadas, El potencial del nanorobot abarca desde el diagnóstico de cáncer y la administración de fármacos hasta la reparación de tejidos y más. Un gran obstáculo para estos esfuerzos, sin embargo, está encontrando una manera de fabricar de forma económica un sistema de propulsión para estos dispositivos. Los nuevos desarrollos ahora pueden impulsar a los nano nadadores de la ciencia ficción a la realidad gracias a la ayuda inesperada de las bacterias.
Un equipo de investigación internacional ha demostrado una nueva técnica para colocar sílice en flagelos, las colas en forma de hélice que se encuentran en muchas bacterias, para producir robots nadadores a nanoescala. Como se informó esta semana en Materiales APL , Los nano nadadores biotemplate del grupo hacen girar sus flagelos gracias a los campos magnéticos giratorios y pueden funcionar casi tan bien como las bacterias vivas.
"Hemos demostrado por primera vez la capacidad de utilizar flagelos bacterianos como plantilla para construir hélices inorgánicas, "dijo Min Jun Kim, uno de los autores del artículo. "Esta es una idea bastante transformadora y tendrá un gran impacto no solo en la medicina, sino también en otros campos".
En comparación con formas más grandes de movimiento acuático, la nanonatación depende de la comprensión del número de Reynolds, las cantidades adimensionales que relacionan la velocidad del fluido, viscosidad y el tamaño de los objetos en el fluido. Con un número de Reynolds de una millonésima parte del nuestro, las bacterias deben utilizar un movimiento no recíproco en la casi ausencia de fuerzas de inercia. Usando colas helicoidales hechas de una proteína llamada flagelina, muchas especies de bacterias navegan por estas condiciones microscópicas con relativa facilidad.
"Si estuviéramos reducidos al tamaño de una bacteria, no podríamos usar la brazada de pecho para movernos por el agua, "Dijo Kim." Si las bacterias fueran del tamaño de nosotros, podían nadar 100 metros en unos dos segundos ".
Imagen TEM de flagelos con plantilla de sílice; la barra de escala es de 1 μm. Crédito:Jamel Ali
Otros métodos desarrollados recientemente para construir estas estructuras helicoidales emplean complicados enfoques de arriba hacia abajo, incluidas las técnicas que implican nanocinturones o láseres de desplazamiento automático. El uso de este equipo especializado puede generar costos iniciales muy altos para la construcción de nanorobots.
En lugar de, El equipo de Kim utilizó un enfoque de abajo hacia arriba, primero cultivando una cepa de Salmonella typhimurium y eliminando los flagelos. Luego usaron soluciones alcalinas para fijar los flagelos en su forma y tono deseados, momento en el que se colocaron en placas las proteínas con sílice. Después, se depositó níquel en las plantillas de sílice, permitiéndoles ser controlados por campos magnéticos.
"Un desafío era asegurarnos de que tuviéramos hélices con la misma quiralidad. Si rotas una hélice a la izquierda y una a la derecha de la misma manera, irán en diferentes direcciones, "Dijo Kim.
El equipo llevó a sus nanorobots a dar una vuelta. Cuando se expone a un campo magnético, los nanorobots mantuvieron el ritmo de sus homólogos bacterianos y se proyectó que pudieran cubrir 22 micrómetros, más de cuatro veces su longitud, en un segundo. Además de esto, el equipo pudo dirigir a los nano nadadores por caminos en forma de ocho.
Si bien Kim dijo que ve potencial para hélices a nanoescala no conductoras en el área de terapias contra el cáncer dirigidas, agregó que con el trabajo de su equipo, se pueden colocar materiales conductores en los flagelos y producir materiales helicoidales para la electrónica y la fotónica.
