El nuevo tipo de nanomotor con ARN polimerasa, que une las dos “asas” y luego las vuelve a soltar. Esto genera un movimiento pulsante. Crédito: Mathias Centola/Universidad de Bonn
Esta máquina desarrollada en la Universidad de Bonn mide sólo una diezmilésima de milímetro.
Un equipo internacional de científicos dirigido por la Universidad de Bonn ha desarrollado un nuevo tipo de nanomotor. Está impulsado por un mecanismo inteligente y puede realizar movimientos pulsantes. Ahora los investigadores planean equiparlo con un acoplamiento e instalarlo como accionamiento en máquinas complejas. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Nature Nanotechnology.
Función motora y analogía
Este nuevo tipo de motor es similar a un entrenador de agarre manual que fortalece el agarre cuando se usa con regularidad. Sin embargo, el motor es aproximadamente un millón de veces más pequeño. Dos asas están conectadas por un resorte en una estructura en forma de V.
En un entrenador de empuñadura, aprietas las manijas contra la resistencia del resorte. Una vez que suelta la empuñadura, el resorte empuja las manijas a su posición original. «Nuestro motor utiliza un principio muy similar», explica el Prof. Michael Famulok del Instituto de Ciencias Médicas y de la Vida (LIMES) de la Universidad de Bonn. «Pero los mangos no están presionados, sino unidos».
Para lograrlo, los investigadores adaptaron un mecanismo sin el cual las plantas o los animales no existirían. Cada celda está equipada con una especie de biblioteca. Contiene los planos de todo tipo de proteínas que la célula necesita para realizar su función. Si la célula quiere producir un determinado tipo de proteína, solicita una copia del modelo respectivo. Esta transcripción es producida por ARN polimerasas.
El nuevo tipo de nanomotor con ARN polimerasa, que une las dos “asas” y luego las vuelve a soltar. Esto genera un movimiento pulsante. Crédito: Mathias Centola/Universidad de Bonn
Las ARN polimerasas impulsan movimientos pulsantes
El diseño original consta de largas hebras de ADN. Las ARN polimerasas se mueven a lo largo de estas hebras y copian letra por letra la información almacenada. «Tomamos una ARN polimerasa y la fijamos a uno de los mangos de nuestra nanomáquina», explica Famulok, que también es miembro de las áreas de investigación transdisciplinaria «Vida y Salud» y «Materia» de la Universidad de Bonn. “Muy cerca, también estiramos una hebra de ADN entre los dos bucles. La polimerasa se agarra a esta cadena para copiarla. Se arrastra a lo largo del soporte y la sección no transcrita se hace cada vez más pequeña. Esto tira de la segunda manija poco a poco hacia la primera, comprimiendo el resorte al mismo tiempo”.
Ciclo de funcionamiento del motor
La cadena de ADN entre los bucles contiene una secuencia específica de letras justo antes de su final. Esta llamada secuencia de terminación indica a la polimerasa que debe liberar el ADN. El resorte ahora puede relajarse nuevamente y separar las manijas. Esto acerca la secuencia inicial a la cadena de la polimerasa y el copiador molecular puede iniciar un nuevo proceso de transcripción: el ciclo se repite. “De esta manera, nuestro nanomotor realiza una acción pulsante”, explica Mathias Centola, del grupo de investigación dirigido por el Prof. Famulok, quien llevó a cabo la mayoría de los experimentos.
Una sopa de letras sirve de combustible
Este motor también necesita energía como cualquier otro tipo de motor. Lo proporciona la “sopa de letras” a partir de la cual la polimerasa produce las transcripciones. Cada una de estas letras (en terminología técnica: nucleótidos) tiene una pequeña cola formada por tres grupos fosfato: un trifosfato. Para añadir una nueva letra a una frase existente, la polimerasa tiene que eliminar dos de estos grupos fosfato. Esto libera energía que se puede utilizar para unir las letras. «Nuestro motor utiliza trifosfatos de nucleótidos como combustible», dice Famulok. «Sólo podrá seguir funcionando cuando haya suficientes disponibles».
Uno de los socios cooperantes con sede en Michigan, EE. UU., pudo comprobar mediante el seguimiento de nanomotores individuales que realmente realizan el movimiento esperado. Un grupo de investigación de Arizona también simuló el proceso en ordenadores de alta velocidad. Los resultados podrían usarse, por ejemplo, para optimizar el motor para que funcione a una determinada frecuencia de pulsación.
Además, los investigadores pudieron demostrar que el motor se puede combinar fácilmente con otras estructuras. Esto debería permitirle, por ejemplo, deambular por una superficie, de forma similar a como una oruga se arrastra a lo largo de una rama con su estilo característico. «También estamos planeando producir un tipo de embrague que nos permitirá utilizar la potencia del motor sólo en determinados momentos y dejarlo en ralentí», explica Famulok. A largo plazo, el motor podría convertirse en el corazón de una nanomáquina compleja. «Sin embargo, aún queda mucho trabajo por hacer antes de llegar a esta etapa».
Para obtener más información sobre esta investigación, consulte DNA Nano Engine: el motor revolucionario para impulsar las nanomáquinas del mañana.
Referencia: “Un nanomotor de origami de ADN de hoja y resorte que pulsa rítmicamente y que impulsa a un seguidor pasivo” por Mathias Centola, Erik Poppleton, Sujay Ray, Martin Centola, Robb Welty, Julián Valero, Nils G. Walter, Petr Šulc y Michael Famulok , 19 de octubre de 2023, Nanotecnología de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41565-023-01516-x
Además de la Universidad de Bonn, participaron en el proyecto el Instituto Max Planck de Neurobiología del Comportamiento (Bonn), el Instituto Max Planck de Biofísica (Fankfurt), la Universidad de Michigan (EE.UU.) y la Universidad Estatal de Arizona (EE.UU.). . La investigación contó con el apoyo financiero de la Fundación Alexander von Humboldt, la Sociedad Max Planck, la Universidad de Bonn, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. (NIH).
