Un motor de 1/10.000 de milímetro

Esta máquina desarrollada en la Universidad de Bonn mide sólo una diezmilésima de milímetro.

Un equipo internacional de científicos encabezado 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 han aparecido ahora en la revista. Nanotecnología de la naturaleza.

Función motora y analogía

Este novedoso 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 agarre manual, aprietas los mangos contra la resistencia del resorte. Una vez que suelta el agarre, el resorte empuja las manijas a su posición original. “Nuestro motor utiliza un principio muy similar”, explica el Prof. Dr. Michael Famulok del Instituto de Ciencias Médicas y de la Vida (LIMES) de la Universidad de Bonn. “Pero los mangos no se presionan entre sí, sino que se juntan”.

Para ello, los investigadores han reutilizado un mecanismo sin el cual no existirían plantas ni animales. 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

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El novedoso tipo de nanomotor con una ARN polimerasa que junta las dos “asas” y luego las vuelve a soltar. Esto genera un movimiento pulsante. Crédito: Mathias Centola/Universidad de Bonn

Las ARN polimerasas impulsan los movimientos pulsantes

El plano original consta de largas hebras de

” datos-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>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 tensamos una hebra de ADN entre los dos mangos. La polimerasa se agarra a esta hebra para copiarla. Se arrastra sobre el soporte y la sección no transcrita se hace cada vez más pequeña. Esto tira del segundo mango poco a poco hacia el primero, comprimiendo el resorte al mismo tiempo”.

Ciclo de operación del motor

La cadena de ADN entre los mangos contiene una secuencia particular de letras poco antes de su final. Esta llamada secuencia de terminación indica a la polimerasa que debe soltar el ADN. El resorte ahora puede relajarse nuevamente y separar las manijas. Esto acerca la secuencia inicial de la cadena a la polimerasa y el copiador molecular puede iniciar un nuevo proceso de transcripción: el ciclo se repite. “De este modo, nuestro nanomotor realiza una acción pulsante”, explica Mathias Centola, del grupo de investigación del profesor Famulok, que llevó a cabo una gran parte de los experimentos.

Una sopa de letras sirve como 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 que consta de 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 puede utilizar para unir las letras. “Por eso nuestro motor utiliza trifosfatos de nucleótidos como combustible”, afirma Famulok. “Sólo podrá seguir funcionando cuando haya un número suficiente de ellos disponibles”.

Uno de los socios cooperantes con sede en Michigan, EE. UU., pudo comprobar mediante el seguimiento de cada nanomotor 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 frecuencia de pulsación particular.

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 un gusano que se arrastra a lo largo de una rama con su propio estilo característico. “También estamos planeando producir un tipo de embrague que nos permitirá utilizar la potencia del motor sólo en determinados momentos y, en caso contrario, 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 más información sobre esta investigación, ver Nanomotor de ADN: el motor revolucionario que impulsará las nanomáquinas del mañana.

Referencia: “Un nanomotor de origami de ADN con ballesta que pulsa rítmicamente y que impulsa a un seguidor pasivo” por Mathias Centola, Erik Poppleton, Sujay Ray, Martin Centola, Robb Welty, Julian Valero, Nils G. Walter, Petr Šulc y Michael Famulok, octubre 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 EE. UU.

” datos-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Institutos Nacionales de Salud (NIH).