Nanoalbañiles para nanoarquitectura: virus y nano-semiconductores

29 Marzo 2017

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La ciencia sigue sorprendiéndonos cada día gracias a la observación de la naturaleza. En este caso los protagonistas son los virus, unos seres microscópicos que, puesto que no realizan las funciones vitales, no se consideran seres vivos.

Daniel Pedraza Fernández

Históricamente, el ser humano ha tenido que coexistir con ellos aunque dada su morfología no fueron descubiertos hasta 1899. Se trata de seres acelulares que se reproducen a costa de células de organismos vivos o incluso otros virus. Son responsables de un amplio abanico de enfermedades que van desde la gripe hasta el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), sin contar los efectos colaterales que han podido tener sobre la humanidad al afectar a otros seres vivos, como el virus de la rabia. A pesar de ello, en los últimos años los avances en genética nos han hecho observar a estos entes desde una nueva perspectiva. El método que emplean los virus para replicarse les ha brindado un lugar como trabajadores en la confección génica. Para hacerlo, los virus habitualmente acceden al material genético de una célula sana e introducen una secuencia de genes que la célula interpreta como propios. Estos genes hacen que la célula los replique para que posteriormente se ensamblen formando un nuevo virus y liberándose de nuevo al medio para infectar nuevas células.

Pero, ¿dónde entran los semiconductores en todo esto? El grupo de investigación de Ángela Belcher en el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) se dedica al uso de virus como plantillas para elaborar estructuras en la nanoescala. El triunfo inicial de este grupo fue darse cuenta de que la naturaleza lleva millones de años elaborando materiales con un alto nivel de cristalinidad desde el periodo Cámbrico, momento en que los niveles de calcio y hierro aumentaron en el planeta. En ese periodo, los organismos pasaron de desarrollar estructuras blandas a otras más duras, como caparazones y esqueletos, y todo ello a partir de un proceso evolutivo que imprimió la secuencia genética necesaria en estos organismos para saber cómo desarrollar dichas estructuras y transmitirlas a generaciones posteriores. Un buen ejemplo de éstas son las cadenas de ferrita en el interior de las bacterias magnetotácticas, así como las conchas de sílice que producen las diatomeas, mostrados en la Figura 1.

Figura1: (izq.) Bacteria magnetotáctica donde puede apreciarse en rojo el magnetosoma, un orgánulo formado por una cadena de ferrita sintetizada por la propia bacteria. (Dcha.) Fósil de sílice de una diatomea.

En el grupo de Ángela Belcher, se estudió el proceso de biomineralización por el cual estos organismos eran capaces de obtener material inorgánico del medio y utilizarlo para crear elementos con un alto orden cristalino a nivel nanoscópico. Inmediatamente se plantearon la siguiente pregunta: “¿Es posible modificar el genoma de un ser vivo con estas características para que elabore estructuras cristalinas con otros materiales?”. La respuesta fue sí. El primer protagonista hizo su entrada en escena en 2006. Se trata del fago m13, un virus no perjudicial para el ser humano, con forma cilíndrica de 7 nm de diámetro y una cápside de entre 700 y 2000 nm de largo, como se aprecia en la Figura 2.

Figura 2: Fago m13, imagen SEM (izq.) y modelo (dcha.)

Aplicando modificaciones en el genoma de este virus se ha conseguido obtener una cepa que expresaba unas proteínas (tetraglutamato) en la superficie de la cápside con afinidad por el óxido de cobalto (Co3O4) y por nanopartículas de oro (Au). Además eran capaces de ensamblarse unos con otros en filas paralelas, formando así el ánodo perfecto para construir baterías de ion Litio con eficiencias del 94 % sin haber salido de la placa de petri, a temperatura ambiente y en disolución acuosa. Además, investigadores de la Universidad Nacional de Pusan, han conseguido fabricar nanogeneradores basados en estructuras columnares formadas por fago m13, de modo que puedan emplearse en la generación de energía debido a sus propiedades piezoeléctricas (como explican en su trabajo publicado recientemente en la revista Energy and Environmental Science).

Más tarde llegó el turno de los puntos cuánticos, como publicaron científicos de la Universidad de Alabama en la revista Nanotechnology. En este caso el virus empleado fue el fago p22, mostrado en la Figura 3, un fago con cápside esférica de 65 nm de diámetro con simetría icosaédrica T=7, formando una red de 12 capsómeros pentaméricos y 60 hexaméricos que ataca a la bacteria Salmonella responsable de la salmonelosis, por lo que no es peligroso para los humanos.

Figura 3: Fago p22 (Fuente: University of Connecticut).

A partir de un proceso de modificación similar al caso anterior, se consiguió que el virus p22 expresase en las partes centrales de los hexámeros y pentámeros unas proteínas afines al ion azufre S2-. Estas regiones miden aproximadamente 3 nm, lo que dio lugar a la nucleación sobre la superficie de nanocristales de ZnS y CdS con tamaños de entre 2 y 5 nm. En investigaciones posteriores, científicos del grupo de Z. Zhou, de la Universidad de Alabama, empleando este mismo virus consiguieron sintetizar mediante biomineralización nanopartículas de óxido de titanio (TiO2). La diferencia principal es que en este caso se consiguió que el proceso ocurriera dentro de la cápside del virus, por lo que la nucleación quedaba confinada de forma similar a los métodos que emplean microemulsiones para confinar las reacciones químicas, dando lugar a nanopartículas de TiO2 con dimensiones de aproximadamente 10 nm, como se describe en el artículo publicado recientemente en la revista Biomacromolecules.

Ante estos trabajos resulta imposible negar el enorme potencial que tienen los virus a la hora de desarrollar nanoestructuras. ¿Hasta qué punto puede verse la electrónica afectada por estas nuevas herramientas? ¿Y la computación? ¿Lograrán hacerse hueco en la medicina moderna como portadores de nanopartículas? Nos encontramos ante una disciplina muy joven y que avanza poco a poco, pero que se sustenta en una de las bases más fuertes en las que siempre se ha apoyado la ciencia: la observación directa e imitación de la naturaleza, por lo que es sólo cuestión de tiempo que surjan nuevas aplicaciones.

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