El óxido nítrico es una molécula de señalización importante en el cuerpo, con un papel en la construcción de conexiones del sistema nervioso que contribuyen al aprendizaje y la memoria. También funciona como mensajero en los sistemas cardiovascular e inmunológico.

Pero ha sido difícil para los investigadores estudiar exactamente cuál es su papel en estos sistemas y cómo funciona. Porque es un gas no ha habido una forma práctica de dirigirlo a células individuales específicas para observar sus efectos. Ahora, un equipo de científicos e ingenieros del MIT y otros lugares ha encontrado una forma de generar el gas en lugares específicos dentro del cuerpo, potencialmente abriendo nuevas líneas de investigación sobre los efectos de esta molécula esencial.

Los hallazgos se informan en la revista. Nanotecnología de la naturaleza , en un artículo de los profesores del MIT Polina Anikeeva, Karthish Manthiram, y Yoel Fink; el estudiante de posgrado Jimin Park; postdoctorado Kyoungsuk Jin; y otros 10 en el MIT y en Taiwán, Japón, e Israel.

"Es un compuesto muy importante, ", Dice Anikeeva. Pero descubrir las relaciones entre la entrega de óxido nítrico a determinadas células y sinapsis, y los efectos de alto nivel resultantes en el proceso de aprendizaje han sido difíciles. Hasta aquí, la mayoría de los estudios han recurrido a analizar los efectos sistémicos, al eliminar los genes responsables de la producción de enzimas que el cuerpo utiliza para producir óxido nítrico donde se necesita como mensajero.

Pero ese enfoque, ella dice, es "fuerza bruta. Esto es un martillo para el sistema porque no solo lo estás destruyendo en una región específica, digamos en el cerebro, pero esencialmente lo eliminas de todo el organismo, y esto puede tener otros efectos secundarios ".

Otros han intentado introducir compuestos en el cuerpo que liberan óxido nítrico a medida que se descomponen. que puede producir efectos algo más localizados, pero estos todavía se extienden, y es un proceso muy lento y descontrolado.

La solución del equipo utiliza un voltaje eléctrico para impulsar la reacción que produce óxido nítrico. Esto es similar a lo que está sucediendo a una escala mucho mayor con algunos procesos industriales de producción electroquímica, que son relativamente modulares y controlables, permitiendo la síntesis química local y bajo demanda. "Tomamos ese concepto y dijimos:¿Sabes que? Puede ser tan local y tan modular con un proceso electroquímico que incluso puede hacer esto a nivel de la celda, "Dice Manthiram." Y creo que lo que es aún más emocionante acerca de esto es que si usas el potencial eléctrico, tiene la capacidad de iniciar la producción y detener la producción en un abrir y cerrar de ojos ".

El logro clave del equipo fue encontrar una manera de que este tipo de reacción controlada electroquímicamente se operara de manera eficiente y selectiva a nanoescala. Eso requirió encontrar un material catalizador adecuado que pudiera generar óxido nítrico a partir de un material precursor benigno. Descubrieron que el nitrito ofrecía un precursor prometedor para la generación electroquímica de óxido nítrico.

"Se nos ocurrió la idea de hacer una nanopartícula a medida para catalizar la reacción, ", Dice Jin. Descubrieron que las enzimas que catalizan la generación de óxido nítrico en la naturaleza contienen centros de hierro y azufre. Inspirándose en estas enzimas, idearon un catalizador que consistía en nanopartículas de sulfuro de hierro, que activa la reacción de producción de óxido nítrico en presencia de un campo eléctrico y nitrito. Dopando más estas nanopartículas con platino, el equipo pudo mejorar su eficiencia electrocatalítica.

Miniaturizar la celda electrocatalítica a la escala de celdas biológicas, el equipo ha creado fibras personalizadas que contienen los microelectrodos positivos y negativos, que están recubiertos con nanopartículas de sulfuro de hierro, y un canal de microfluidos para el suministro de nitrito de sodio, el material precursor. Cuando se implanta en el cerebro, estas fibras dirigen el precursor a las neuronas específicas. Entonces la reacción se puede activar a voluntad electroquímicamente, a través de los electrodos en la misma fibra, produciendo una explosión instantánea de óxido nítrico justo en ese lugar para que sus efectos se puedan registrar en tiempo real.

Como prueba utilizaron el sistema en un modelo de roedor para activar una región del cerebro que se sabe que es un centro de recompensa para la motivación y la interacción social, y eso juega un papel en la adicción. Demostraron que de hecho provocó las respuestas de señalización esperadas, demostrando su eficacia.

Anikeeva dice que esto "sería una plataforma de investigación biológica muy útil, porque finalmente, las personas tendrán una forma de estudiar el papel del óxido nítrico a nivel de células individuales, en organismos completos que están realizando tareas ". Señala que hay ciertos trastornos que están asociados con interrupciones de la vía de señalización del óxido nítrico, por lo que estudios más detallados de cómo opera esta vía podrían ayudar a conducir a tratamientos.

El método podría ser generalizable, Park dice:como una forma de producir otras moléculas de interés biológico dentro de un organismo. "Básicamente, ahora podemos tener esta forma realmente escalable y miniaturizada de generar muchas moléculas, siempre que encontremos el catalizador apropiado, y siempre que encontremos un compuesto de partida apropiado que también sea seguro ". Este enfoque para generar moléculas de señalización in situ podría tener amplias aplicaciones en biomedicina, él dice.

"Uno de nuestros revisores de este manuscrito señaló que esto nunca se ha hecho:la electrólisis en un sistema biológico nunca se ha aprovechado para controlar la función biológica, "Dice Anikeeva." este es esencialmente el comienzo de un campo que podría ser potencialmente muy útil "para estudiar moléculas que pueden ser entregadas en lugares y momentos precisos, para estudios en neurobiología o cualquier otra función biológica. Esa capacidad de producir moléculas a demanda dentro del cuerpo podría ser útil en campos como la inmunología o la investigación del cáncer. ella dice.

El proyecto comenzó como resultado de una conversación casual entre Park y Jin. que eran amigos que trabajaban en diferentes campos:neurobiología y electroquímica. Sus discusiones casuales iniciales terminaron conduciendo a una colaboración completa entre varios departamentos. Pero en el mundo cerrado de hoy, Jin dice:tales encuentros y conversaciones casuales se han vuelto menos probables. "En el contexto de cuánto ha cambiado el mundo, si esto fuera en esta era en la que todos estamos separados unos de otros, y no en 2018, existe la posibilidad de que esta colaboración no haya ocurrido nunca ".