Al imitar a la naturaleza, los científicos están diseñando modalidades moleculares totalmente nuevas, que pueden servir de modelo para nuevos materiales y máquinas moleculares avanzadas. En el incipiente campo de la nanotecnología, se utilizan elementos básicos naturales como los aminoácidos para crear estructuras como péptidos y proteínas, para su aplicación en los campos de la medicina y la energía. Los nanobiotecnólogos han comenzado a aprovechar el autoensamblaje molecular para elaborar nuevas nanobioestructuras como los nanotubos para la fundición de metales, las nanovesículas para encapsular medicamentos y los armazones de nanofibras para el cultivo de tejidos nuevos. Han construido también un fotosistema en nanoescala, de densidad extremadamente alta, y máquinas moleculares ultralivianas para capturar la energía solar. Con mejores conocimientos de estos fenómenos, aparentemente inabordables, la humanidad podrá usar algún día nanodispositivos para reparar órganos del cuerpo o rejuvenecer la piel, mejorar las capacidades humanas, aprovechar la ilimitada energía solar y lograr otras proezas que hoy parecen imposibles.

Shuguang Zhang es director adjunto del Centro de Ingeniería Biomédica del Massachusetts Institute of Technology.

Hace unos 10.000 años, el hombre empezó a domesticar plantas y animales. Ha llegado la hora de domesticar las moléculas.
Susan Lindquist, Instituto Whitehead de Investigación Biomédica, Massachusetts Institute of Technology

La biotecnología, conocida principalmente por sus aplicaciones en la medicina y la agricultura, se centra cada vez más en la elaboración de nuevos materiales y máquinas biológicas con diversas estructuras, funciones y usos. El advenimiento de la nanotecnología ha acelerado esta tendencia. Gracias a la pauta que ofrece la naturaleza, que durante miles de millones de años ha pulido y dado forma a los distintos motivos arquitectónicos moleculares, que llevan a cabo numerosas tareas concretas, los nanobiotecnólogos diseñan hoy, poco a poco y de abajo a arriba, modalidades moleculares completamente nuevas que conforman materiales nuevos y máquinas moleculares avanzadas. En la próxima generación, adelantos como los nuevos materiales para reparar tejidos dañados y las máquinas moleculares que aprovechan la energía solar a partir de los aminoácidos y lípidos más diminutos, tendrán seguramente enorme impacto en nuestra sociedad y en la economía mundial.

La biotecnología moderna ha producido una amplia gama de productos útiles como la insulina humana y las nuevas vacunas. Pero lo que queda por delante puede ser aún más revolucionario. Por ese motivo, los gobiernos, tanto grandes como pequeños, y las industrias, tanto locales como mundiales, procuran cada vez más atraer talento e inversión al campo de la biotecnología. No cabe duda de que con la ayuda de las herramientas de la nanotecnología, la biotecnología se expande a un ritmo acelerado y que lo mejor está todavía por llegar.

IMITACIÓN DE LA NATURALEZA

La propia naturaleza es la maestra experta en lo que se refiere a elaborar, átomo por átomo y molécula por molécula, extraordinarios materiales y máquinas moleculares. Las conchas, las perlas, el coral, los huesos, los dientes, la madera, la seda, el cuerno, el colágeno, las fibras musculares y las matrices extracelulares son apenas unos pocos ejemplos de materiales naturales. Los conjuntos macromoleculares multifuncionales, como la hemoglobina, las polimerasas y los canales de membrana son esencialmente máquinas moleculares de exquisito diseño.

A través de miles de millones de años de selección y evolución moleculares, la naturaleza ha producido un conjunto básico de elementos básicos moleculares que incluye a 20 aminoácidos, unos cuantos nucleótidos - unidades estructurales de ácidos nucleicos como el ácido ribonucleico (RNA) y el ácido desoxirribonucleico (ADN) -, una docena aproximada de moléculas lípidas, y dos docenas de azúcares. A partir de estos elementos básicos aparentemente simples, los procesos naturales son capaces de dar forma a una gama enormemente variada de unidades que pueden a su vez organizarse en estructuras, materiales y máquinas moleculares avanzadas que no sólo presentan una alta precisión, flexibilidad y capacidad de autocorrección, sino que son también autosustentables y pueden evolucionar. Por ejemplo, los sistemas de fotosíntesis de algunas bacterias y todas las plantas verdes toman la luz solar y la convierten en energía química. Cuando hay menos luz solar, como ocurre, por ejemplo, en aguas profundas, los sistemas de fotosíntesis deben evolucionar para llegar a ser más eficientes en su captación de la luz solar.

A principios de la década de los noventa, los biotecnólogos comenzaron a aprender a manipular los elementos básicos naturales que tenían por lo menos una dimensión de entre un nanómetro (la milmillonésima parte de un metro) y 100 nanómetros, para fabricar estructuras moleculares nuevas, lo que introdujo la ciencia y la tecnología en la era del diseño de materiales moleculares. Al igual que la arcilla y el agua se pueden combinar para fabricar ladrillos de múltiples usos que, a su vez, pueden utilizarse para construir paredes como la Gran Muralla china, casas o caminos, los elementos básicos naturales como los aminoácidos pueden emplearse para crear estructuras como los péptidos y las proteínas, que pueden emplearse para una variedad de propósitos. Por ejemplo, los animales echan pelo o lana para mantenerse calientes, algunos mariscos fabrican conchas para proteger sus tejidos de las lesiones, las arañas hilan telarañas para capturar insectos y nuestras células elaboran una enorme cantidad de colágenos para mantener unidas a las células a fin de formar tejidos y órganos.

Si reducimos las unidades de construcción mil millones de veces hasta llegar a la nanoescala, podemos construir materiales y máquinas moleculares a partir de unidades prefabricadas, de forma similar al ensamblado de una casa prefabricada.

Los péptidos elaborados a partir de aminoácidos son unidades arquitectónicas moleculares que han resultado ser muy útiles para desarrollar nuevos materiales nanobiológicos. En el agua y en los fluidos corporales, estos péptidos forman armazones bien ordenados de nanofibras, útiles para el crecimiento de tejido tridimensional y para la medicina regenerativa. Por ejemplo, mediante el uso de armazones biológicos y células, los científicos han fabricado cartílago y huesos artificiales para reemplazar tejidos dañados. Aún más, han demostrado también que las nanofibras péptidas de autoensamblaje de diseño pueden detener de inmediato la hemorragia, característica útil para las intervenciones quirúrgicas. Los nuevos péptidos han resultado sorprendentemente útiles en la administración de medicamentos, proteínas y genes, porque pueden encapsular ciertos fármacos insolubles y llevarlos hasta las células y otras zonas del cuerpo. Son también esenciales para en la elaboración de máquinas moleculares biosolares de recolección de energía, que utilizan el fotosistema de la espinaca o de las hojas de árboles.

AUTOENSAMBLAJE MOLECULAR

Todas las moléculas biológicas, incluidos los péptidos y las proteínas, se relacionan entre sí y se auto-organizan naturalmente para formar estructuras bien definidas con funciones concretas. Mediante la observación de los procesos a partir de los que se ensamblan estas estructuras en la naturaleza, los nanobiotecnólogos han comenzado a explotar el autoensamblaje en la naturaleza para elaborar nuevas nanobioestructuras como nanotubos para la fundición de metales, nanovesículas para el encapsulado de medicamentos, y armazones de nanofibras para cultivar tejidos nuevos.

El autoensamblaje molecular entraña en su mayoría vínculos débiles - como cuando dos personas se toman de la mano -, que pueden unirse y separarse rápidamente. Esto se diferencia marcadamente de los vínculos sumamente firmes que unen nuestros brazos con nuestro cuerpo. Las interacciones moleculares débiles como el vínculo del hidrógeno o el vínculo iónico desempeñan individualmente una función indispensable en todas las estructuras biológicas y sus acciones recíprocas. El vínculo del hidrógeno, mediado por el agua, en el cual numerosas moléculas de agua actúan como puente para conectar dos partes separadas, es de especial importancia para los sistemas biológicos, dado que todos los materiales biológicos interactúan con el agua. Dicho vínculo, que se encuentra en todos los colágenos, aumenta la humedad durante un tiempo prolongado.

En su condición de elementos básicos moleculares, los péptidos diseñados se parecen a las piezas de Lego en las que tanto las clavijas como los agujeros han sido dispuestos de una manera determinada y pueden ensamblarse en estructuras bien formadas. Llamados a menudo "péptidos Lego", estos nuevos ladrillos moleculares se ensamblan espontáneamente en nanoestructuras bien formadas en determinadas condiciones ambientales.

En el agua, las moléculas de péptidos Lego se unen para formar nanofibras bien ordenadas que se siguen asociando posteriormente para formar armazones. Un material de armazón de nanofibras que ha sido creado comercialmente es el PuraMatrix, denominado de esta forma debido a su pureza como armazón biológico de diseño biotecnológico. Los investigadores biomédicos lo usan actualmente en todo el mundo para estudiar el cáncer y las células pluripotenciales, así como para reparar tejido óseo.

Dado que contienen poros de entre 5 y 200 nanómetros y tienen un contenido de agua extremadamente alto, son de utilidad potencial en la preparación de células tridimensionales y el crecimiento de tejidos, así como en medicina regenerativa. Además, el tamaño pequeño de los poros de estos armazones podría permitir que los medicamentos se liberaran lentamente, de modo que las personas no tendrían que tomarse sus medicamentos varias veces por día, sino una vez en un periodo más largo. Un dispositivo nanoarmazón de liberación lenta puede implantarse en la piel con suficientes insumos del medicamento para que dure meses o años.

LA CREACION DE ELEMENTOS BÁSICOS ADICIONALES

Usando como guía los lípidos naturales, se ha diseñado una nueva clase de detergentes peptídicos con características de lípidos. Estos péptidos contienen entre siete y ocho aminoácidos, lo que les concede una longitud similar a la de los lípidos naturales, y lo que hace que las paredes celulares sean 20.000 veces más delgadas que el diámetro de un cabello humano.

Un detergente peptídico simple con características de lípido produce estructuras notablemente complejas y dinámicas, del mismo modo que el ensamblado de numerosos ladrillos simples puede crear muchas estructuras arquitectónicas diferentes y distintas.

Se ha encontrado que algunos detergentes peptídicos son materiales excelentes para estabilizar proteínas de membrana notablemente difíciles de estabilizar - moléculas de proteína agregadas o asociadas con la membrana de una célula - lo que abre nuevos caminos para superar uno de los mayores desafíos de la biología, a saber: la obtención de imágenes claras de las ubicuas y vitales proteínas de membrana.

Numerosos medicamentos ejercen su efecto a través de las proteínas de membrana. Pero sigue siendo en su mayoría desconocido cómo estos medicamentos interactúan con las proteínas de membrana al nivel molecular más fino. Los detergentes peptídicos prometen cambiar esto. Si podemos comprender plenamente las interacciones de estas proteínas, puede que podamos elaborar fármacos más eficaces y eficientes, con pocos efectos secundarios, o con ninguno.

El APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR

El estudio detallado de la función de las proteínas de membrana es apenas un ejercicio para comprender el fenómeno. Al profundizar nuestro conocimiento acerca de la comunicación de las células con su entorno, averiguamos la manera en la que los sistemas vivos responden a sus entornos. Con este conocimiento práctico, los nanobiólogos han comenzado a elaborar máquinas moleculares avanzadas, capaces de desarrollar sensores extremadamente sensibles con fines de detección médica, o para aprovechar la energía biosolar. Por ejemplo, los antiguos médicos chinos olían a un paciente para diagnosticar un problema médico, porque creían que una enfermedad puede cambiar el olor corporal o las secreciones del paciente. En la medicina moderna, se utilizan diversos instrumentos para hacer un diagnóstico preciso. En el futuro, un sensor de olor tan refinado como la nariz de un perro podría ayudar a diferenciar entre las personas con problemas médicos y las personas sanas. En el Reino Unido, los perros han demostrado su capacidad para identificar a las personas que padecen de cáncer, olfateando sus olores.

Nadie discutiría que la energía asequible, sostenible y ambientalmente sana es un requisito del bienestar de la civilización moderna. Dados los daños ambientales que causa la contaminación de los combustibles fósiles y la demanda creciente de energía a nivel mundial, los problemas energéticos del mundo son ahora más urgentes que nunca. Las soluciones alternativas, durante largo tiempo debatidas pero raramente perseguidas, se buscan ahora urgentemente.

Aún más, la naturaleza cada vez más móvil de la informática y las comunicaciones, y la nanonización de materiales y máquinas moleculares exigen que se desarrollen fuentes de energía más pequeñas, livianas y autosostenibles. Una fuente obvia de energía infinita es el sol. La naturaleza ha creado un sistema eficaz para convertir fotones directamente en electrones y luego en energía química. Las plantas verdes y otros organismos biológicos han venido usando este sistema durante miles de millones de años.

La mayor parte de la energía de la tierra se obtiene de la fotosíntesis mediante fotosistemas, el más eficiente sistema de recolección de energía. Si se pudiera aprovechar la energía producida por los fotosistemas naturales, contaríamos con una fuente de energía limpia y casi inagotable.

Los nanobiotecnólogos, tomando prestado de bacterias y plantas verdes el fotosistema de recolección de energía, han demostrado que los fotones pueden convertirse directamente en electrones mediante las recientemente diseñadas máquinas moleculares biosolares. Por medio de una combinación de ingeniería de precisión e ingeniería biológica del fotosistema, han construido un fotosistema en nanoescala de alta densidad extremada y máquinas moleculares ultra livianas de recolección de energía solar.

Para fabricar una máquina molecular de recolección de energía biosolar se requieren dos componentes claves: un sistema de producción de energía biosolar (fotosistema) de hojas de plantas verdes y los detergentes peptídicos diseñados. Para la producción de energía solar se usó un fotosistema más simple. Originalmente, los científicos purificaron el sistema de fotosíntesis de la espinaca, y recientemente han informado que purificaron con éxito sistemas fotosintéticos de arces, pinos y robles y de hojas de bambú. Todo el complejo del fotosistema, de sólo 20 nanómetros de altura, fue fijado en una superficie de oro con una orientación vertical.

Continúa la experimentación para idear maneras de aumentar la cantidad y duración de la energía producida por esta nueva y emocionante máquina de recolección de energía molecular (véase figura 1).

¿QUÉ NOS DEPARA EL FUTURO?

El desarrollo constante de materiales de nanobiotecnología y máquinas moleculares ahondará nuestro conocimiento de fenómenos aparentemente incomprensibles. La ingeniería en nanoescala mediante el diseño molecular de péptidos autoensamblados es una tecnología facilitadora que desempeñará, probablemente, un papel cada vez más importante en el futuro de la biotecnología y que cambiará nuestras vidas en las décadas futuras. Por ejemplo, los tejidos envejecidos y dañados podrán ser reemplazados por los armazones que estimularán a las células a reparar órganos del cuerpo o a rejuvenecer la piel. Puede que en el futuro seamos capaces también de nadar y bucear como delfines, o escalar montañas con un aparato pulmonar de nanoarmazón que pueda transportar oxígeno. Es posible prever que pintemos automóviles y casas con máquinas moleculares de fotosíntesis que puedan aprovechar, para todas las poblaciones del planeta y no sólo para unos pocos acaudalados, la energía solar ilimitada.

Apenas hemos dado comienzo a un gran viaje, y haremos muchos descubrimientos inesperados. Aunque los nanotecnólogos encaran muchos retos, persiguen activamente muchas cuestiones relacionadas con la fabricación molecular de materiales compuestos y máquinas moleculares. Los péptidos biotécnicos autoensamblados se pueden considerados los elementos básicos para la elaboración de materiales nuevos y de futuras máquinas moleculares construidas por el hombre. Estos péptidos pueden diseñarse también conjuntamente para incorporar otros elementos básicos como los azúcares, los lípidos, los ácidos nucleicos y un gran número de cristales de metales. La naturaleza nos ha inspirado y ha abierto la puerta de sus secretos. Corre por cuenta de nuestra imaginación expandir sus materiales y máquinas moleculares.

Las opiniones expresadas en este artículo no reflejan necesariamente los puntos de vista ni las políticas del gobierno de Estados Unidos.