Las proteínas se encuentran entre las biomoléculas más versátiles y ubicuas del planeta. La naturaleza los usa para todo, desde la construcción de tejidos hasta la regulación del metabolismo y la defensa del cuerpo contra las enfermedades.

Ahora, un nuevo estudio muestra que las proteínas tienen otras capacidades, en gran medida inexploradas. En las condiciones adecuadas, pueden actuar como diminutos cables portadores de corriente, útiles para una gama de nanoelectrónica diseñada por humanos.

En una nueva investigación que aparece en la revista ACS Nano, Stuart Lindsay y sus colegas muestran que ciertas proteínas pueden actuar como conductores eléctricos eficientes. De hecho, estos diminutos cables de proteína pueden tener mejores propiedades de conductancia que los nanocables similares compuestos de ADN, que ya han tenido un éxito considerable en una gran cantidad de aplicaciones humanas.

El profesor Lindsay dirige el Centro de Biodiseño para la Biofísica de Moléculas Únicas. También es profesor en el Departamento de Física y la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU.

Al igual que en el caso del ADN, las proteínas ofrecen muchas propiedades atractivas para la electrónica a nanoescala, incluida la estabilidad, la conductancia ajustable y una gran capacidad de almacenamiento de información. Aunque tradicionalmente se había considerado a las proteínas como malas conductoras de la electricidad, todo eso cambió recientemente cuando Lindsay y sus colegas demostraron que una proteína colocada entre un par de electrodos podía actuar como una eficiente conductora de electrones.

La nueva investigación examina con mayor detalle el fenómeno del transporte de electrones a través de las proteínas. Los resultados del estudio establecen que, a largas distancias, los nanocables de proteínas muestran mejores propiedades de conductancia que los nanocables sintetizados químicamente diseñados específicamente para ser conductores. Además, las proteínas se autoorganizan y permiten el control a escala atómica de sus partes constituyentes.

Los nanocables de proteínas diseñados sintéticamente podrían dar lugar a nuevos dispositivos electrónicos ultradiminutos, con aplicaciones potenciales para la detección y el diagnóstico médicos, nanorobots para llevar a cabo misiones de búsqueda y destrucción contra enfermedades o en una nueva generación de transistores informáticos ultradiminutos. Lindsay está particularmente interesado en el potencial de los nanocables de proteínas para su uso en nuevos dispositivos para llevar a cabo la secuenciación ultrarrápida de proteínas y ADN, un área en la que ya ha logrado avances significativos.

Además de su papel en los dispositivos nanoelectrónicos, las reacciones de transporte de carga son cruciales en los sistemas vivos para procesos que incluyen la respiración, el metabolismo y la fotosíntesis. Por lo tanto, la investigación de las propiedades de transporte a través de proteínas diseñadas puede arrojar nueva luz sobre cómo operan dichos procesos dentro de los organismos vivos.

Si bien las proteínas tienen muchos de los beneficios del ADN para la nanoelectrónica en términos de conductancia eléctrica y autoensamblaje, el alfabeto ampliado de 20 aminoácidos que se usa para construirlas ofrece un juego de herramientas mejorado para nanoarquitectos como Lindsay, en comparación con solo cuatro nucleótidos que componen el ADN. .

Autoridad de Tránsito

Aunque el transporte de electrones ha sido un foco de investigación considerable, la naturaleza del flujo de electrones a través de las proteínas sigue siendo un misterio. En términos generales, el proceso puede ocurrir a través de túneles de electrones, un efecto cuántico que ocurre en distancias muy cortas o mediante el salto de electrones a lo largo de una cadena peptídica; en el caso de las proteínas, una cadena de aminoácidos.

Uno de los objetivos del estudio era determinar cuál de estos regímenes parecía estar funcionando realizando mediciones cuantitativas de la conductancia eléctrica en diferentes longitudes de nanocable de proteína. El estudio también describe un modelo matemático que se puede utilizar para calcular las propiedades moleculares y electrónicas de las proteínas.

Para los experimentos, los investigadores utilizaron segmentos de proteínas en incrementos de cuatro nanómetros, con una longitud de entre 4 y 20 nanómetros. Se diseñó un gen para producir estas secuencias de aminoácidos a partir de una plantilla de ADN, y luego se unieron las longitudes de proteína en moléculas más largas. Se utilizó un instrumento altamente sensible conocido como microscopio de túnel de barrido para realizar mediciones precisas de la conductancia a medida que avanzaba el transporte de electrones a través del nanocable de proteína.

Los datos muestran que la conductancia disminuye a lo largo de la longitud del nanocable de una manera consistente con el comportamiento de salto en lugar de túnel de los electrones. Residuos de aminoácidos aromáticos específicos (seis tirosinas y un triptófano en cada tirabuzón de la proteína) ayudan a guiar los electrones a lo largo de su camino de un punto a otro como estaciones sucesivas a lo largo de una ruta de tren. "El transporte de electrones es como una piedra que salta sobre el agua:la piedra no tiene tiempo de hundirse en cada salto", dice Lindsay.

Maravillas de alambre

Si bien los valores de conductancia de los nanocables de proteínas disminuyeron con la distancia, lo hicieron de manera más gradual que con los cables moleculares convencionales diseñados específicamente para ser conductores eficientes.

Cuando los nanocables de proteínas superaron los seis nanómetros de longitud, su conductancia superó a los nanocables moleculares, abriendo la puerta a su uso en muchas aplicaciones nuevas. El hecho de que puedan diseñarse y modificarse sutilmente con control de escala atómica y autoensamblarse a partir de una plantilla genética permite manipulaciones precisas que superan con creces lo que se puede lograr actualmente con el diseño de transistores convencionales.

Una posibilidad emocionante es usar tales nanocables de proteínas para conectar otros componentes en un nuevo conjunto de nanomáquinas. Por ejemplo, los nanocables podrían usarse para conectar una enzima conocida como ADN polimerasa a electrodos, lo que daría como resultado un dispositivo que potencialmente podría secuenciar un genoma humano completo a bajo costo en menos de una hora. Un enfoque similar podría permitir la integración de proteosomas en dispositivos nanoelectrónicos capaces de leer aminoácidos para la secuenciación de proteínas.

"Estamos comenzando ahora a comprender el transporte de electrones en estas proteínas. Una vez que tenga cálculos cuantitativos, no solo tendrá excelentes componentes electrónicos moleculares, sino que tendrá una receta para diseñarlos", dice Lindsay. "Si piensas en el programa SPICE que usan los ingenieros eléctricos para diseñar circuitos, ahora hay un atisbo de que podrías obtener esto para la electrónica de proteínas". + Explora más

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