“Cualquier acto de creación, decía Picasso, es primero un acto de destrucción”. Tomando este concepto al pie de la letra, los químicos de la Universidad de Montreal han descubierto que romper nanomáquinas moleculares esenciales para la vida puede crear otras nuevas que funcionen aún mejor.
Investigadores Alexis Vallée-Bélisle y Dominic Lauzon.
Crédito: Amélie Philibert y Benoit Gougeon – Universidad de Montreal
Sus hallazgos se publican en Nature Chemistry.
Nanomáquinas en el origen de la vida
La vida en la Tierra es posible gracias a decenas de miles de nanomáquinas biológicas que han evolucionado durante millones de años. A menudo compuestos por proteínas o ácidos nucleicos, generalmente contienen miles de átomos (Un átomo (del griego ατομος, atomos, «que no podemos…) y tienen menos de 10.000 veces el tamaño de un cabello humano.
«Estas nanomáquinas -que gobiernan todas las actividades moleculares de nuestro cuerpo y sus problemas de regulación o estructura- están en el origen de la mayoría de las enfermedades humanas», recuerda Alexis Vallée-Bélisle, investigadora (Investigador (fem. researcher) es una persona cuya trabajo es hacer…) director del estudio y profesor de química (La química es una ciencia natural dividida en varias especialidades, en…) en la Universidad (Una universidad es una institución de educación superior cuyo objetivo es la… ) de Montreal (Montreal es tanto una región administrativa como una metrópolis de Quebec[2]. Así de grande…).
Al estudiar cómo se forman estas nanomáquinas biológicas creadas por la Madre Naturaleza, la profesora Vallée-Bélisle, titular de la Cátedra de Investigación de Canadá en Bioingeniería y Bionanotecnología, ha notado que, mientras que algunas están hechas de un solo componente o una sola pieza, a menudo un biopolímero largo -, otros están hechos de varios elementos que se han juntado espontáneamente.
«Dado que la mayoría de mis alumnos pasan la mayor parte de su tiempo diseñando nanomáquinas en el laboratorio, nos hemos preguntado si no sería más beneficioso hacerlos usando uno o varios componentes moleculares capaces de autoensamblarse», dice el profesor.
Una idea destructiva
Dominic Lauzon y Alexis Vallée-Bélisle descubrieron que la función de las nanomáquinas moleculares puede evolucionar eficientemente si se dividen en varios componentes.
La imagen ilustra cómo construir nanomáquinas usando un solo componente verde (arriba) conduce a una estructura de función única. Por el contrario, la fabricación de nanomáquinas similares utilizando tres componentes (azul, naranja y verde) permite crear estructuras funcionales con nuevas propiedades, por ejemplo, mayor o menor sensibilidad, es decir, cooperativas o anticooperativas, y una función de reloj molecular.
Crédito: Caitlin Monney Para responder a esta pregunta, el estudiante de doctorado (El doctorado (del latín doctorem, de doctum, supin de docere, enseñar) suele ser…) Dominic Lauzon tuvo la idea «destructiva» de poner en piezas una variedad de nanomáquinas para ver si se pueden volver a montar. Para ello, fabricó nanomáquinas artificiales basadas en ADN que podían ser «destruidas» o fragmentadas en varios pedazos.
«El ADN es una molécula notable que ofrece una química simple, programable y fácil de usar», subraya Dominic Lauzon, primer autor del estudio. Apostamos a que nuestra experiencia de «destrucción» de nanomáquinas basadas en ADN podría ayudarnos a responder preguntas fundamentales sobre la creación y evolución de las nanomáquinas biológicas y las creadas por humanos. Fue largo, ¡pero ganamos esta apuesta!»
El profesor y su alumno pasaron años realizando validaciones experimentales y teóricas que demostraron que las nanomáquinas podían resistir fácilmente la fragmentación. Aún más sorprendente, esta fragmentación permite la creación de varias funcionalidades nuevas, por ejemplo, diferentes niveles de sensibilidad a las variaciones de concentración o temperatura (la temperatura es una cantidad física medida con un termómetro y…) o más mutaciones.
Los investigadores descubrieron que estas características podrían aparecer simplemente controlando la concentración de cada componente de la nanomáquina. Así, al cortar una nanomáquina en tres componentes, descubrieron que se activaba con mayor sensibilidad cuando la concentración de los componentes era alta. Por otro lado, cuando esta concentración de componentes era baja, esta nanomáquina podría programarse para activarse o desactivarse en un momento específico.
«Básicamente, estas nuevas características se lograron simplemente cortando o destruyendo la estructura de una nanomáquina existente», dice Dominic Lauzon. Creemos que estas características podrían mejorar significativamente la nanotecnología humana, como biosensores, transportadores de fármacos y computadoras moleculares».
Evolucionar nuevas características
Al igual que Picasso que destruía sus obras inacabadas para crear otras o como los pequeños desgarros en los músculos de un atleta permiten fortalecerlos y aumentar su masa muscular, las nanomáquinas también tienen ese poder de evolucionar positivamente siendo parcialmente destruidas.
A diferencia de objetos cotidianos como teléfonos móviles, televisores y coches, que se fabrican combinando piezas mediante tornillos, pernos, pegamento o soldadura, «las nanomáquinas se diseñaron utilizando miles de fuerzas intermoleculares dinámicas débiles que permiten que las que se rompen se vuelvan a montar espontáneamente», explica Alexis Vallée-Bélisle.
Además de proporcionar a los investigadores de nanotecnología una estrategia de diseño simple (La estrategia, del griego stratos que significa «ejército» y ageîn que significa…) para desarrollar la próxima generación de nanomáquinas, los resultados del equipo de la UdeM brindan una mejor comprensión de cómo las nanomáquinas biológicas puede haber evolucionado.
«Los biólogos descubrieron en la década de 2000 que alrededor del 20% de las nanomáquinas biológicas posiblemente evolucionaron a través de la fragmentación de sus genes. Con nuestros resultados, los biólogos ahora tienen una base racional para comprender cómo la fragmentación de estas proteínas ancestrales ha podido generar nuevas funcionalidades moleculares que permiten la vida se adapte a la Tierra y perdure», se entusiasman los dos investigadores y químicos.
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