Nanomáquinas biológicas: el reto de imitar a la naturaleza.

Cristina Mantilla

28 de agosto de 2013

En numerosas ocasiones la naturaleza ha sido la principal inspiración en el desarrollo de la tecnología.Observar y emular su comportamiento ha servido de fundamento para crear nuevos modelos y máquinas. Enla nano escala la naturaleza nos ofrece pistas para hacer dispositivos importantes con mecanismos celularesdisponibles. La vida como la conocemos se basa en nanomáquinas y nanoestructuras, cuyo comportamiento,hasta ahora, no nos es posible emular. Las nanomáquinas biológicas constituyen una irrefutable evidencia deque es posible disponer de aparatos que realicen tareas específicas a esta escala. Su rol es fundamental paralograr el principal reto de la nanotecnología: poder manipular y ordenar los átomos.

Las nanomáquinas biológicas pueden ser identificadas en varios organismos vivos. Sin ir tan lejos en nues-tra búsqueda nos encontramos con un ejemplo perfecto en el cual es posible estudiarlas: el cuerpo humano.El correcto funcionamiento de nuestro cuerpo está asociado a la disponibilidad de energía, y su proceso deobtención y almacenamiento involucra algunas estructuras moleculares.Nuestro cuerpo humano recepta energía de los alimentos, pero para poder almacenarla químicamente esnecesaria la producción de ATP, que es el correspondiente a la unidad energética en la biología. Este essintetizado por una enzima llamada ATP sintasa que puede ser visto un rotor molecular que produce unagran cantidad de ATP cuando los protones fluyen a través de ella. Esto se debe a una diferencia de potencialentre las membranas reticulares de esta enzima que provoca un movimiento de cargas, y produce un mo-vimiento rotacional. La diferencia de potencial se establece por los protones bombeados por la rodopsina,que es una bacteria que puede ser vista como una bomba nanoscópica que funciona gracias a la energíaluminosa. En el proceso de transportación del ATP, la kinesina es una estructura molecular con un papel fun-damental pues se ancla en microfibrillas, recibe y disocia el ATP y sirve como máquina transportadora de este.

Estas estructuras moleculares mencionadas son solo breves ejemplos de las nanomáquinas que se encuen-tran en nuestro organismo. Para entender su funcionamiento nos damos cuenta que existen dos principiosbásicos que se llevan a cabo en los procesos biológicos: la auto organización y el auto ensamble. El primerotrata de la formación de un patrón en el proceso debido exclusivamente a interacciones entre los componentesdel sistema biológico. La explicación física para este comportamiento no es clara, pero se fundamenta en latermodinámica pues minimiza la energía y maximiza la entropía. El autoensamble se basa en la construcciónde ensambles biomoleculares organizados, de lípidos y proteínas en organismos vivos, y es crucial en el fun-cionamiento de las células.

Los sistemas biológicos nos llevan siglos de adelanto. Los sistemas vivos contienen una extensa gama denanomáquinas y dispositivos altamente estructurados, las cuales pueden ser usados para determinar futurasrutas de avance en la nanotecnología. A medida que los investigamos las preguntas detrás de sus propiedadesbásicas incrementan. Lo que queda claro es que la biología y la evolución ya han respondido la gran inte-rrogante acerca de como organizar las moléculas para poder construir dispositivos que nos permitan realizaruna tarea específica. El reto se encuentra en poder descifrar las interrogantes que conlleva el estudio de lasnanomáquinas biológicas y poder emular su comportamiento. Si pensamos en términos a largo plazo, estosesfuerzos son base y constituyen herramientas que nos permitirán cumplir con el eventual objetivo de manu-facturar infraestructura que nos permita diseñar productos con precisión atómica.

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