Los investigadores de Princeton han aprendido a aprovechar el andamio de gasa que mantiene la estructura de las células vivas y lo han utilizado para desarrollar una plataforma de nanotecnología. Con el tiempo, la técnica podría conducir a avances en robótica blanda, nuevos medicamentos y el desarrollo de sistemas sintéticos para el transporte biomolecular de alta precisión.
En un artículo, "Construcción de circuitos citoesqueléticos en chip mediante redes de microtúbulos ramificados" publicado en las Proceedings of the National Academy of Sciences , los investigadores demostraron un método que les permite controlar con precisión el crecimiento de redes de biopolímeros como las que forman parte del esqueleto celular. Pudieron construir estas redes en un microchip, formando un tipo de circuito que funciona con señales químicas, en lugar de eléctricas.
Dentro de las células, las proteínas tubulina forman varillas largas e increíblemente delgadas llamadas microtúbulos. Las redes de microtúbulos crecen como raíces de árboles en sistemas ramificados que forman un elemento primario del citoesqueleto, que da forma a las células y les permite dividirse.
Además de ayudar a mantener la forma de una célula, el andamiaje microtubular también funciona como un ferrocarril molecular. Las proteínas motoras especializadas transportan cargas moleculares a lo largo de los filamentos de los microtúbulos. Ligeros cambios en la composición molecular de los microtúbulos actúan como señales para ajustar los cursos de los transportadores químicos, enviando cargas moleculares a sus destinos.
En Princeton, las preguntas sobre estas redes intracelulares llevaron a una colaboración entre Sabine Petry, profesora asociada de biología molecular, y Howard Stone, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial que se especializa en mecánica de fluidos.
"Los sistemas biológicos que nos inspiraron fueron los axones", dijo Meisam Zaferani, uno de los investigadores principales. "Los axones son largas protuberancias que salen de una neurona y permiten el transporte molecular dirigido."
En el sistema nervioso, las redes de microtúbulos funcionan como estructuras que conectan las células nerviosas y como medio para que el sistema nervioso transmita señales químicas que producen sensaciones. Zaferani dijo que los científicos todavía están trabajando para comprender los elementos del crecimiento de los microtúbulos y las propiedades químicas. Pero dijo que el equipo de investigación quería saber si podían aprovechar las redes para aplicaciones prácticas.
"Los ingenieros y físicos han comenzado a estudiar los microtúbulos como componentes para construir nuevos materiales y tecnologías", afirmó. "Existen muchos misterios sobre sus propiedades fundamentales, pero sabemos lo suficiente como para empezar a pensar en cómo podríamos diseñar estos sistemas".
Con el coinvestigador Ryungeun Song, Zaferani trabajó para crear un sistema para controlar el crecimiento de microtúbulos en los laboratorios de sala limpia del Instituto de Materiales de Princeton.
Utilizando equipos especializados en micro/nanofabricación y microfluidos, los investigadores controlaron con precisión el crecimiento de las ramas de los microtúbulos. Pudieron ajustar el ángulo y la dirección del crecimiento y crearon microestructuras en las que se regulaba la dirección del crecimiento de los microtúbulos.
Zaferani dijo que el Instituto de Materiales ofrecía una combinación única de equipos y experiencia que sería difícil de encontrar en cualquier otro lugar.
Los investigadores planean hacer un seguimiento dirigiendo la carga química a lo largo de las ramas de los microtúbulos. El objetivo es construir un sistema de transporte de productos químicos controlable. En un esfuerzo relacionado, también están examinando el uso de redes de microtúbulos como herramienta, como micropinzas, que ejercen fuerza física sobre objetos increíblemente pequeños.
El grupo de investigación de Petry ha colaborado durante mucho tiempo con Stone, profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de ingeniería mecánica y aeroespacial, en la intersección de la biología y la dinámica de fluidos. Contrataron a Song, un ingeniero mecánico que se había centrado en los microfluidos en su trabajo de posgrado; y Zaferani, un biofísico que había estudiado las señales que ayudan a los espermatozoides de los mamíferos a navegar hacia el óvulo.
Stone, que colabora frecuentemente con colegas en ingeniería y ciencias naturales, dijo que combinar conocimientos de diversas disciplinas a menudo conduce a resultados notables.
"Me parece muy interesante encontrar problemas que involucran a la mecánica de fluidos en otros campos", dijo. "A menudo encuentro un tema que los científicos del otro lado no comprenden bien y yo mismo no entiendo bien, y juntos trabajamos para resolverlo".
Más información: Meisam Zaferani et al, Construcción de circuitos citoesqueléticos en chips mediante redes de microtúbulos ramificados, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2315992121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de Princeton
