11 jul 2014

Eric Drexler y la Nanotecnología: Una Breve Historia


Si uno quiere hablar sobre Nanotecnología está obligado a mencionar a Eric Drexler, un genio de nuestra época, fuera de lo común y polémico, que ha dejado una huella indeleble en la historia contemporánea de la tecnología. Drexler es un personaje con una visión tan refinada y deslumbrante que con toda seguridad será recordado en el futuro y se hablará de el como de una leyenda, tal como ahora se habla de grandes personajes como Isaac Newton, Copérnico o Da Vinci.

¿Quién es Drexler?

A Eric Karin Drexler le fue otorgado en 1991 el primer Doctorado en Nanotecnología Molecular por el prestigioso Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Ya desde 1981 Drexler especulaba sobre los fundamentos físicos de la ingeniería molecular, sobre como la vida estaba basaba en Nanotecnología y como entender los componentes celulares era la puerta de entrada a desarrollar máquinas moleculares avanzadas con capacidad de manipular la materia con precisión atómica.

En 1986 escribió su libro mas conocido Engines of Creation (en español se llamó: Máquinas de Creación, en este link lo puedes leer). En este libro Drexler describía las bases de como la construcción de materiales átomo por átomo abriría las puertas a un desarrollo tecnológico sin precedentes en la historia de la humanidad, que haría posible vencer la enfermedad y la muerte, realizar viajes intergalácticos y tener recursos materiales casi infinitos. Sobra decir que a partir de ese libro Drexler le dio nombre a la Nanotecnología la cual era inexistente en esa época y al hablar sobre las implicaciones revolucionarias que la Nanotecnología poseía la puso en la boca de todos. 


La Nanotecnología Según Drexler

La Nanotecnología como Drexler la concibe se inspiró principalmente en dos fuentes, 1) la legendaria conferencia There is plenty of room at the bottom de Richard Feynmann, un físico legendario, y que hablaba de la tendencia a miniaturizar nuestros sistemas y 2) La observación de que la célula usa máquinas moleculares nanométricas (por ejemplo los ribosomas) que, además de ensamblar materia (proteínas) con precisión atómica inigualable, se auto-replica.

Sus ideas muestran una agudeza sin precedentes acerca de las implicaciones de desarrollar una tecnología aún inexistente y han sido tan reveladoras que han desatado grandes polémicas y discusiones con muchos científicos, muchos de los cuales las han calificado de disparates y retórica sin ningún fundamento científico. El debate más conocido es el que tuvo con Richard Smalley, ganador del premio Nobel de Química 1996. En ese debate memorable Drexler no pudo justificar varias de sus ideas con base en el desarrollo científico actual y se apego a mostrar una posible visión futura de la Nanotecnología. En el debate se observó un Drexler estuvo mas propenso a generar visiones futuras de la tecnología sin pensar en las condiciones actuales de la ciencia. 

Solo Basta Verse al Espejo con Ojos de Microscopio

A pesar de todos los debates amargos que han ocurrido en torno a la visiones de Drexler su idea fundamental acerca de la Nanotecnología de precisión atómica se mantiene en pie. La manipulación átomo por átomo (o molécula por molécula) es plausible por el simple hecho de que nosotros somos construidos por máquinas moleculares auto-replicantes.

Tal como el caso de Leonardo da Vinci que se adelantó a su tiempo casi 5 siglos y fue el primero en señalar que era posible volar basado en la simple observación de que existían animales voladores, la idea Drexleriana de que es posible construir máquinas moleculares auto-replicantes ensambladoras de nanomateriales con capacidades fantásticas es posible simplemente por lo que hemos mencionado antes, la existencia de la vida misma lo prueba. Al final de cuentas la diferencia entre la materia viva y la inanimada es un simple arreglo complejo de átomos y moléculas.

La Leyenda de Drexler

Dicen que los héroes de las leyendas pasan por varias etapas tales como revelación, caída y redención. Drexler ha pasado por las primeras dos etapas. Nos ha traído una visión única sobre una tecnología que es capaz de revolucionar nuestro mundo y por eso ha sido atacado ferozmente, ridiculizado y exiliado (dejó el prestigioso instituto que el creó y lideraba).

¿Redención?, Drexler ha modificado algunas de sus ideas iniciales y las ha actualizado pero si es redimido y consagrado solo el tiempo lo dirá. Esto depende de la demostración de que sus ideas estaban, al menos parcialmente, en lo correcto. Independientemente de todo, Drexler será considerado el padre fundador de la nanotecnología y el gurú de muchos de los que nos dedicamos a la Bio- y Nanotecnología.


Primero te ignoran.
Después se ríen de ti.
Después te atacan.
Al final tu ganas.

Eric Drexler citando a Gandhi, en uno de sus últimos discursos en el Instituto Foresight.

Algunos links útiles:

- El blog personal de Eric Drexler con toneladas de información útil: Metamodern.
- El último libro de Eric Drexler: Radical Abundance: How a revolution in Nanotechnology Will Change Civilization.
- Frases de Eric Drexler sobre la Nanotecnología aquí.

27 ene 2014

Nanotecnologia y el Origen de la Vida




   En 1953, justo cuando Watson y Crick reportaban la estructura del ADN, Miller y Urey reportaban la síntesis de moléculas orgánicas sencillas en condiciones parecidas a las existentes en la tierra primitiva. Este experimento desterró para siempre el vitalismo que había perdurado por siglos y abrió nuevos caminos en términos de una racionalidad científica para entender como se formó la vida en la tierra sin necesitar “diseñadores inteligentes o divinos”.

   Muchos años han pasado desde tal descubrimiento y aun se debaten los principios y reacciones que llevaron a que una sopa de moléculas orgánicas sencillas tales como aminoácidos, azúcares y nucleótidos formaran los primeros biopolímeros y agregados moleculares de mayor complejidad relevantes para la vida. Y es aquí donde se encuentra una muy interesante e íntima conexión entre disciplinas que parecen distantes y con intereses divergentes: la nanotecnología y el estudio del origen de la vida.

   
   La nanotecnología, por su lado, busca diseñar sistemas moleculares auto-replicantes y auto-organizados con precisión atómica y que tengan control a nivel atómico y molecular de lo que ensamblan. Para ello busca entender los principios fisicoquímicos que lo permiten. La nanotecnología usa bastante conceptos de termodinámica (entropía, disipación, sistemas dinámicos en equilibrio o fuera de el), de auto-ensamblado (o química supramolecular), reacciones de química orgánica (o biosíntesis para la bionanotecnología), auto-organización, complejidad, cooperatividad, etc. Así está continuamente diseñando moléculas que pueden formar agregados multi-moleculares altamente organizados y complejos con funciones particulares y que puedan auto-replicarse. Por su parte el estudio del origen de la vida busca encontrar como se formaron los primeros auto-replicadores moleculares con capacidad para auto-organizarse o posibles rutas de creación (enzimas, ribosomas, DNA, RNA). Es decir la nanotecnología y el estudio del origen de la vida comparten objetivos similares aunque sus fines y motivaciones sean distintas.

   Es así que si a través de la nanotecnología somos capaces de construir sistemas moleculares con capacidad de auto-organización y auto-replicación (tal como se encuentra en los sistemas vivos), estaremos verificando no solo la idea de que es posible obtener algo parecido a los sistemas naturales replicantes a partir de moléculas simples si no también señalando los principios y rutas químicas de los que se pudo haber valido la naturaleza para desarrollarlos y para entender como la vida apareció en la faz de la tierra.

   Si usando nanotecnología podemos construir sistemas auto-replicantes y auto-organizados, entonces la naturaleza también pudo hacerlo.


El hecho de que la nanotecnología y el estudio del origen de la vida comparten varios conceptos clave, enfoques de estudio y hasta las mismas preguntas no sorprende tanto cuando se observa como los científicos hablan de que la naturaleza usa nanotecnología para llevar a cabo las actividades necesarias para existir. Muchos grupos alrededor del mundo están desarrollando moléculas que funcionan como “auto-replicadores” con fines para crear materiales y procesos industriales y biomédicos interesantes (entrada del blog: Diseñando un virus). Prominentes científicos en el área de la nanotecnología tienen líneas de investigación acerca del origen de la vida (Harvard-Whitesides Lab). Y otros que estudian el origen de la vida se han acercado a temas de nanotecnología y biología sintética (Pier Luigi Luisi Lab).



   En el futuro quizás la (bio)nanotecnología podría dar respuesta a las preguntas relevantes para explicar cómo se origino la vida en el planeta: ¿Cómo se originan (ó originaron) las máquinas moleculares auto-replicantes? ¿Cuales son los principios en que se basan las proteínas y ácidos nucleicos para formar agregados (parecidos a una célula o un virus)? ó ¿para reproducirse? ó ¿para auto-organizarse?
  
   La importancia de la nanotecnología entonces no solo es para desarrollar moléculas que resuelvan y atiendan problemas de la sociedad si no que además podría verificar principios o probar posibles rutas para explicar como llegaron a aparecer las primeras células o la materia que llamamos “viva”.

Para saber más:
-       Drexler K. E. La nanotecnología: El surgimiento de las máquinas de creación. Ed. Gedisa, 1993.
-       Luisi P. L. La vida emergente: De los orígenes químicos a la biología sintética. Tusquets editores, 2010.
-       Sowerby S.  Origins of life: a route to nanotechnology. Biosystems, 61(1), 2001.



15 nov 2013

Grandiosas Máquinas Moleculares Creadas por la Naturaleza

Para sobrevivir y funcionar adecuadamente, las células requieren llevar a cabo ciertas tareas esenciales tales como reconocer el ambiente en el que están, moverse en el, procesar nutrientes para producir energía y componentes celulares, desplazar componentes celulares a diversas partes de la célula, etc.

¿Como hacen esto?

En la mayoría de los casos estas tareas son realizadas por pequeñas máquinas moleculares hechas de proteína que a penas alcanzan unos cuantos nanómetros de tamaño. Estas moléculas que realizan las actividades que sustentan la vida son consideradas máquinas por que usan energía para realizar un trabajo: ya sea un movimiento mecánico o una reacción química.

A diferencia de las máquinas que encontramos en nuestro mundo macroscópico estas diminutas maquinas moleculares son capaces de evolucionar y adaptarse, de auto-ensamblarse por sí mismas, no son afectadas por la gravedad, trabajan en presencia de agua, son muy eficientes y por lo regular todas sus partes están íntimamente relacionadas por lo que no pueden ser modificadas o diseccionadas fácilmente. Cuando las contemplamos hacer su trabajo su complejidad no deja de maravillarnos.

Existe una lista muy larga de estas grandes maravillas que la naturaleza y la evolución han creado. A continuación solo mencionaremos unas cuantas.

ADN Polimerasa.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)



ADN polimerasa. Esta proteína en conjunto con otras proteínas realiza la copia o replicación del ADN en la célula. La ADN polimerasa añade nucleótidos libres en solución a una naciente cadena de ADN que es complementaria a la cadena original que sirve de molde. Es una tarea fundamental que sustenta la vida. Además la ADN polimerasa es usada muy ampliamente en diversas técnicas de biología molecular, entre ellas la reacción en cadena de la polimerasa.

En este video a partir del minuto 1:43 puedes ver a la ADN polimerasa en acción.







Fotosistema I.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)

Fotosistemas I y II. Estos complejos que involucran varias proteínas se ubican en el corazón del proceso de la fotosíntesis. Ellos se dedican a captar los fotones provenientes de la luz solar para extraer su energía y transferirla a ciertos compuestos como CO2 para almacenarla y producir carbohidratos y O2, dando sustento a la vida que existe en nuestro planeta. Después de absorber la energía de la luz con la ayuda de pequeñas moléculas coloridas como clorofilina o carotenoides, los fotosistemas I y II extraen electrones altamente energéticos de las moléculas de agua que son inmediatamente transferidos a diversas proteínas produciendo protones (iones de hidrogeno, H+) que se usaran para producir ATP, la reserva de energía de la célula (ver más adelante). Al final los electrones son transferidos a una molécula llamada NADPH la cual los entrega a diversas enzimas que sintetizaran azúcares a partir de agua y dióxido de carbono.

En esta animación puedes ver detalles de cómo funciona el fotosistema II: Video Fotosistema II





ATP Sintasa.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)





ATP sintasa. Esta extraordinaria máquina molecular está formada por varias proteínas y funciona como una turbina molecular. Ella se dedica a producir ATP (Adenosina Trifosfato, la reserva de energía en la célula) a partir de un flujo de protones (H+) que ella misma bombea desde el interior de un compartimento hacia su exterior. El mecanismo con el que trabaja es de admiración. La ATP sintasa está compuesta de dos motores rotatorios conectados por un estator o parte fija. El primer motor, F0, es movido por el flujo de protones a través de la membrana y el segundo, F1, por ATP. Cuando F0 se mueve también rota a F1 en la dirección que se sintetiza ATP. De esta manera la producción de ATP esta acoplada al flujo de protones a través de la membrana. Como se puede imaginar, la reacción opuesta se puede llevar a cabo y revertir el flujo de protones.

Este video muestra en acción a la ATP sintasa.

Ribosoma.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)




Ribosomas. Esta maravillosa máquina de ensamblaje o producción de nuevas proteínas es un cumulo altamente organizado de muchas subunidades formadas entre proteínas y ARN. Siendo su función la producción de proteínas en las cuales se incluyen las máquinas moleculares o los propios componentes de los ribosomas, por lo que los ribosomas pueden ser considerados máquinas que ensamblan otras máquinas ensambladoras.


Admira el fantástico funcionamiento de los ribosomas en este video: Video Ribosomas



Anticuerpo.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)


Anticuerpos. Estas proteínas reconocen moléculas al cuerpo humano y que pueden ser nocivas. Suelen circular por todo el cuerpo humano escudriñando cada objeto que tocan. Si un objeto es potencialmente nocivo se unen a su superficie firmemente y lo recubren, por ejemplo en el caso de un virus, o bien lo marcan y alertan a otros sistemas moleculares de su presencia. Los anticuerpos tienen dos brazos flexibles que reconocen ciertas características químicas y geométricas en la superficie de un objeto. El sitio de unión esta en un hueco situado en la punta de cada brazo. Para reconocer distintos blancos los anticuerpos varían enormemente las combinaciones de los aminoácidos localizados en el sitio de unión aumentando enormemente las capacidades de reconocimiento de un mayor número de agentes ajenos y nocivos.

En el video se observa a los anticuerpos con forma de “Y” recubriendo a una bacteria y evitando su unión a una célula. Al final la bacteria recubierta de anticuerpos es tragada por una célula dendrítica.

Existen muchas otras máquinas moleculares increíbles como la miosina o kinesina que transportan componentes celulares o vesículas llenas de moléculas, el flagelo que propulsa células enteras, las bombas de calcio, el proteosoma, la hemoglobina, cápsides virales, etc. Estas máquinas moleculares por lo general trabajan más eficientemente que nuestras máquinas macroscópicas.

Kit de herramientas moleculares.
Contruye tu propia maquina molecular.

Imagen de Jakob Schweizer, BIOTEC/TU Dresden] (c)
Actualmente muchos científicos trabajan no solo en entender como funcionan si no tambien en utilizarlas para obtener energía barata y limpia, o producir materiales para nuestra vida diaria y para curar enfermedades. Una de los aspectos mas interesantes es que ahora es posible construir máquinas moleculares artificiales inspiradas por las creadas por la naturaleza.

Para ver una impresión artística de cómo trabajan las maquinas moleculares en el interior de la célula ve este impresionante video:

28 may 2013

Imitando a la Naturaleza: Diseño Molecular de un Virus


Cuando se inicia una nueva investigación uno nunca sabe que tan lejos podrá llegar, aunque uno supone que no tan lejos por que suele pasar que en ciencia uno va caminando muy lentamente. Pocos son los que han encontrado en su investigación la rendija que los llevará al otro lado, ese lado tan anhelado pero poco visitado. Eso es lo que pensaba hasta hace unos meses cuando los resultados de mi investigación empezaron a mostrar que el tiro por el que apostamos dio al blanco y así lo confirmaban experimentos sucesivos.

La Composición Determina La Función

Empezaré explicando lo básico. Como todos saben toda la materia está hecha de átomos y moléculas y dependiendo de como estén arreglados en el espacio y tiempo es como serán sus propiedades. Esto también aplica para la materia biológica, la que está compuesta de biomoléculas, ya sabes, proteínas, ácidos nucleicos (ADN o ARN), lípidos y carbohidratos. La materia biológica también está ordenada en el espacio y tiempo aunque, no está de más decirlo, particularmente de manera muy precisa y compleja. Me detendré a explicar con más detalle este dato que es sumamente importante. Debido a su carácter polimérico1, las biomoléculas forman estructuras regulares; esto significa que despliegan ciertos grupos químicos con orientación espacial fija, lo cual condiciona las interacciones que establecen con otras biomoléculas tanto en el tiempo y espacio y por lo tanto las propiedades de esa biomolécula en particular están determinadas. Por interacciones me refiero a fuerzas de atracción o repulsión hacia otros grupos químicos desplegados por otras (bio)moléculas, incluyendo las moléculas de agua. Todo esto depende en última estancia de la composición particular de la biomolécula. Es decir la composición de las biomoléculas codifica para su funcionalidad. Así es que conociendo la composición de una biomolécula en particular y sabiendo como se despliega en el espacio es posible predecir y modificar sus propiedades, o bien crear una biomolécula desde cero o de novo con ciertas propiedades. Esto es uno de los paradigmas más importantes de la química actual, es el engranaje que mueve la maquinaria de la (bio)nanotecnología. Se puede intuir la gran capacidad que tiene para revolucionar el estado actual de la tecnología.

Esta impresionante capacidad actual de la química es resultado de las pasadas décadas de estudio intensivo y acelerado de las propiedades básicas de la (bio)materia y de entender sus interacciones, desarrollar modelos para cuantificarlas y poder predecir su efectos. Aunado a esto, a la par han llegado otros desarrollos tecnológicos que permiten un rápido estudio de la ingeniería biomolecular, microscopios de fuerza atómica (que permiten ver y manipular átomos y moléculas individuales), de fluorescencia (entender interacciones y dinámicas), estandarización de métodos de biología molecular (para poder producir cualquier proteína exista o no en la naturaleza).

Diseñando (Bio)Moléculas Con Propiedades Específicas

Con esta capacidad para predecir las propiedades de nuevas (bio)moléculas los científicos hemos empezado a preguntarnos: ¿Podemos diseñar (bio)moléculas que puedan imitar estructuras de la naturaleza tales como las encontradas en la fotosíntesis (para obtención de energía), o las capsulas virales (para tener sistemas de entrega de medicamentos mucho más eficientes) y usarlas para nuestro beneficio? La respuesta es si.

Diseñando Partículas Virales Artificiales

Cuando inicie mi proyecto de Doctorado mis supervisores me decían que no teníamos necesariamente que lograr lo que estaba planteado por escrito en la propuesta de anteproyecto, que usualmente, aunque se tiene como objetivo, no se alcanza. Bien, si la Naturaleza ya lo ha logrado, ¿Por que no usarla como fuente de inspiración?

Figura 1. Virus del Mosaico del Tabaco (VMT). 1) ARN 2) Sub-unidad
proteínica de la cubierta 3) Partículas virales ensambladas. 
Si tomamos un virus muy sencillo, como el virus el mosaico del tabaco (VMT) y analizamos sus componentes, podemos distinguir que está compuesto de una sola molécula de ARN recubierta por alrededor de 2000 copias de una proteína, formando una estructura alargada de aproximadamente 300 nanómetros (parecen rodillos rígidos) donde el ARN se encuentra en el interior (ver figura 1). Parece ser que la capsula (el recubrimiento) es bastante sencilla, solo un tipo de proteína que se ordena alrededor del ARN. ¿Como está diseñada esta proteína que al mezclarla con el RNA forma espontáneamente estructuras regulares capaces de infectar células de las hojas del tabaco? Como se pueden dar cuenta el diseño mínimo de una partícula viral recae en el diseño de la cubierta proteínica, ya que básicamente ella realiza todas las funciones esenciales.

Figura 2. Sub-unidad proteica de la cubierta del virus
del mosaico del tabaco.

Si analizamos la proteína de la cubierta del virus podemos distinguir partes de ella que realizan funciones fundamentales (ver figura 2), 1) unión al ácido nucleico (ARN), 2) Auto-ensamblaje alrededor del ARN (establece interacciones entre proteínas adyacentes de manera coordinada y ordenada) 3) Estabilidad coloidal (evita que partículas virales ya formadas empiecen a agregarse entre si o se insolubilicen ya que partículas grandes tienden a precipitar en solución).


Codificando La Funcionalidad En La Composición Química

¿Como codificar estas funciones a nivel molecular en proteínas artificiales? Imitando la química de los virus. Si se toma una secuencia de aminoácidos (de lo que están hechas las proteínas) con alta densidad de carga positiva entonces se podrán unir a los ácidos nucleicos que son negativos. Si se une a esta otra secuencia con propiedades de auto-ensamblado entonces podrás dirigir la condensación del ácido nucleico en estructuras alongadas de forma cooperativa. La propiedad de auto-ensamblado es fundamental para hacer emerger la cooperatividad, propiedad que es ubicua en todos los sistemas biológicos y que asegurará que las partículas entre el ARN y la proteína están ensambladas completamente y por lo tanto la información genética del ácido nucleico esté protegida. La última función requerida es la estabilidad coloidal que se puede lograr si se añade una secuencia de amino ácidos que den solubilidad al agregado. Estas propiedades permitirán que las partículas penetren las células y entreguen el cargamento de ADN. No está demás decir que una partícula viral artificial formada de esta forma es totalmente segura ya que no es capaz de replicarse e infectar nuevas células ya que esas funciones no están codificadas en la cubierta diseñada.

Después de una larga labor produciendo estas proteínas, en una de esas noches largas que pasarán a la posteridad, sentado enfrente del microscopio vislumbre una imagen increíble, una serie de estructuras alargadas esparcidas por la superficie. Eran mis partículas virales con las que habíamos soñado años antes. Unos minutos antes había mezclado un poco de ADN con cierta cantidad de mi proteína diseñada. Las proteínas que diseñamos habían empezado su danza  microscópica, cual historia de amor, habían sido atraídas por ese aroma negativo del ADN, y empezado a recubrirlo. Una parte de ellas , responsable del auto-ensamblado, les ordenó a todas esas proteínas reunidas alrededor del ADN actuar, condensar el ADN en una pequeña partícula de 300 nm, rígida, alargada como una fibra. Acercamiento. Esto es un virus, una partícula viral artificial, una molécula de ADN condensada por una cubierta proteínica diseñada por nosotros. La danza molecular ha terminado, ahora yo danzo, brinco y grito de emoción. ¿Hasta donde llegará esto? Semanas después colaboradores del Centro Médico de Nimega nos confirman, esas partículas han logrado entrar a células y entregar el ADN que expresa una proteína fluorescente. Después llegaron los teóricos de la Universidad de Eindhoven y nos cuentan que el proceso físico de ensamblaje es similar al del virus de mosaico del tabaco, nuestra fuente de inspiración.

Este estudio ha demostrado que es posible codificar en diferentes secuencias las mismas funcionalidades que se requieren para crear algún material que imite a componentes biológicos. De una forma es imitar la nanotecnología de la naturaleza. El diseño de moléculas funcionales que se auto-ensamblen en nuevos materiales con propiedades controlas a la escala nanométrica ya es una realidad. El siguiente paso es ahora empezar a crear otros materiales que imiten a la naturaleza de una manera mas compleja, ensambladores de nanomateriales, sensores ultra potentes, captadores de energía solar, capsulas que respondan a estímulos del cuerpo para que combatan una enfermedad, etc. Las perspectivas son amplias para las partículas virales diseñadas de novo. Se pueden añadir secuencias con función de reconocimiento de células enfermas (por ejemplo cáncer) para que sean usadas para terapia génica o para entregar otros ARN de interferencia afectando mínimamente al tejido sano. También pueden ser usados para crear vacunas de diseño.

En Hombros De Gigantes

En este punto me pongo a reflexionar sobre todos esos hombres y mujeres que desde hace décadas han contribuido a entender los componentes celulares, no solo para aplicar se conocimiento si no para entender lo que somos, y que con sus contribuciones han cimentado nuestro trabajo actual: Podemos diseñar moléculas con un refinamiento tal que imiten a las máquinas moleculares de la naturaleza.2

Si tienes cualquier comentario, sugerencia o pregunta no dudes en dejarla. Gracias por tu atención. J

Notas
 1. Un polímero es una molécula muy grande formada por múltiples repeticiones de una unidad básica.

2. Si bien la célula no es en esencia una máquina, visualizarla como tal en ciertas ocasiones trae resultados muy prácticos y espectaculares




19 abr 2010

ADN_pieza de lego molecular

Próximamente...

Moléculas que se autoensamblan

Próximamente...

La Bionanotecnología y sus conceptos

El vertiginoso desarrollo de la ciencia ha logrado avances impresionantes que necesitan ser divulgados entre la sociedad. Entre las nuevas fascinaciones de las mujeres y hombres de ciencia se encuentra la Bionanotecnología o también llamada Ingeniería Biomolecular que destaca tanto por sus aportaciones a la ciencia e incidencia en el desarrollo tecnológico así como por su carácter altamente interdisciplinario y polifacético donde convergen diferentes enfoques provenientes de la biología, química, física e ingeniería.
Que es la bionanotecnología?

La bionanotecnología se origina de la fusión entre la nanotecnología y biotecnología. Por un lado la nanotecnología es la construcción y modelaje de la materia manipulando átomo por átomo aplicada en la ingeniería y manufactura a escala nanométrica. Por el otro, la biotecnología aprovecha diversas funcionalidades derivadas de procesos biológicos para aplicaciones específicas sin que importen los detalles moleculares y atómicos de las biomoléculas que llevan a cabo dichos procesos. Con base en ello la bionanotecnología se define como la ingeniería y manufactura aplicada al diseño y modificación de los detalles atómicos de maquinarias y dispositivos moleculares basados en biomoléculas (ácido desoxirribonucleico -ADN-, proteínas, lípidos y carbohidratos) para que lleven a cabo funciones especificas a nivel nanométrico construidos mediante ensambladores biomoleculares. El rápido avance científico hace que el ámbito de influencia de la bionanotecnología aun se esté definiendo.

Para tener idea de las dimensiones de dichas maquinas es necesario decir que un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro, o bien en nuestro mundo macroscópico equivaldría a comparar una moneda con el ¡diámetro de la tierra! La capacidad de visualización y manipulación de diminutos átomos y moléculas se logra con instrumentos y técnicas sofisticadas y refinadas de microscopia, cristalografía, espectroscopia y modelaje en computadora.

Las biomoléculas son las protagonistas

Las biomoléculas son los componentes de la célula desarrollados y optimizados a través de millones de años de evolución natural que mantienen la vida celular llevando a cabo todas las funciones necesarias para su crecimiento, sobrevivencia y reproducción.

A pesar de que la célula es un sistema altamente complejo base de la vida se puede hacer una analogía (muy pobre, pero muy efectiva) con una máquina o un sistema compuesto de varias máquinas. Por ejemplo, el flagelo bacteriano y el complejo ATP sintasa funcionan esencialmente como motores generando movimiento mecánico alrededor de un eje y bombeando protones, mientras que la miosina realiza la contracción muscular; los anticuerpos y receptores de membrana detectan diversas moléculas por lo que son sensores; la actina y los microtúbulos son vigas y soportes, las enzimas son herramientas reparadoras y constructoras, los ribosomas son los ensambladores que construyen nuevas máquinas proteínicas en líneas de producción, el ADN es el control numérico, los lípidos forman vesículas contenedoras y la membrana lipídica que rodea la célula tal como si fuera una carcasa, etcétera. Todas estas entidades biológicas son delicadas moléculas de tamaño nanométrico con propiedades basadas principalmente en la química y debido a que en esencia realizan funciones de máquinas con precisión atómica también pueden ser caracterizadas y optimizadas con enfoques de la física y la ingeniería.

La célula crea las biomoléculas

Debido a que las biomoléculas son productos exclusivos del metabolismo celular, el desarrollo de la biología molecular en las últimas décadas ha sido de gran ayuda para la bionanotecnología permitiendo conocer los detalles de los mecanismos de muchas de estas “nanomáquinas”.

De inmensa importancia ha sido el desarrollo de la tecnología del ADN recombinante en la expansión de la bionanotecnología ya que ha permitido modificar y producir en gran escala de forma barata y rápida las “bionanomáquinas” y biomateriales necesarios para la bionanotecnología. Como el ADN posee toda la información necesaria para generar una proteína funcional (la gran mayoría de las “bionanomáquinas” están compuestas de proteína), es decir contiene secuencias de ácidos nucleicos que codifican para los aminoácidos de una proteína, solo basta alterar y editar las secuencias del ADN para modificar una proteína particular con precisión atómica y así optimizar su funcionamiento y propiedades o generar nuevas y novedosas maquinas de proteína las cuales son producidas en gran cantidad a partir de substratos baratos al crecer la célula con el gen en particular. La capacidad de manipular la célula es sin duda un cambio de paradigma que ha revolucionado tanto la ciencia como la forma en que vemos al mundo.

La Bionanotecnología trabaja interdisciplinariamente

Además de optimizar y modificar las biomoléculas a escala nanométrica para aplicaciones específicas, la bionanotecnología se ha adentrado en nuevos caminos y consolidado como un área altamente interdisciplinaria. Fusionándose con la ciencia de materiales ha desarrollado novedosos materiales híbridos entre compuestos inorgánicos y bioorgánicos, superando así la tradicional separación entre estos dos tipos de materia y borrando las fronteras entre la materia viva e inanimada.

Esta área usa proteínas y ácidos nucleicos como unidades programables de reconocimiento molecular las cuales son acopladas (ligadas químicamente) a nanopartículas inorgánicas con propiedades ópticas, electrónicas y catalíticas diversas e interesantes útiles para elaborar materiales y dispositivos inteligentes basados en compuestos híbridos que se auto-ensamblan en complejos supramoleculares nanométricos usados en aplicaciones bioanalíticas y biomédicas para diagnóstico, visualización y tratamiento de enfermedades y también para computación, electrónica, óptica y manufactura molecular.

Borrando Fronteras entre la Materia

El punto cardinal en la Bionanotecnología es la materia y la disolución de la frontera bioorgánica/inorgánica. Objetos vivos e inanimados están hechos por átomos. Las propiedades de la materia cambian de acuerdo con el patrón en que estén ordenados y enlazados los diferentes átomos que la componen: carbón y diamante, arena y chips de computadora, cáncer y tejido sano, tienen cierta disposición que hace la diferencia entre lo enfermo de lo sano y lo barato de lo valioso, tal como dice el apóstol de la nanotecnología, Erik Drexler en su famoso libro Máquinas de creación.

Hemos entrado en la era conjunta de la manipulación atómica y genética, hay muchos riesgos pero también mucho potencial que bien balanceado y en un ambiente democrático puede ser aprovechado para atender problemáticas específicas dentro del contexto mexicano.

Así, los bionanotecnólogos han creado nuevos horizontes en la ciencia, han descubierto excitantes áreas de desarrollo tecnológico y científico, novedosas e inéditas aplicaciones de las biomoléculas y han generado hitos de interdisciplinariedad al asociar disciplinas comúnmente separadas. La pregunta es, parafraseando al Nobel Richard Feynman en su discurso inaugural de la nanotecnología, ¿habrá suficiente espacio en el fondo de nuestra mente para apoyar la bionanotecnología en México?