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(noticias nanowerk) Según un estudio publicado en la revista, los científicos han desarrollado el primer motor nanoeléctrico funcional del mundo. Nanotecnología de la naturaleza (“Una turbina de ADN impulsada por un potencial transmembrana a través de un nanoporo”). El equipo científico diseñó una turbina hecha de ADN impulsada por un flujo hidrodinámico en un nanoporo, un agujero de tamaño nanométrico en una membrana hecha de nitruro de silicio sólido.
El pequeño motor podría ayudar a avanzar en la investigación de aplicaciones futuras, como la construcción de fábricas moleculares de sustancias químicas útiles o sondas médicas para moléculas en el torrente sanguíneo para detectar enfermedades como el cáncer.
«Las máquinas macroscópicas comunes se vuelven ineficientes en la nanoescala», afirmó el profesor Aleksei Aksimentiev, coautor del estudio y profesor de física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champagne. «Necesitamos desarrollar nuevos principios y mecanismos físicos para realizar motores eléctricos a una escala muy, muy pequeña».
El trabajo experimental sobre el pequeño motor fue realizado por Cees Dekker de la Universidad Tecnológica de Delft y Hendrik Dietz de la Universidad Técnica de Munich.
Dietz es un experto mundial en origami de ADN. Su laboratorio manipuló moléculas de ADN para crear la pequeña turbina del motor, que constaba de 30 hélices de ADN bicatenario agrupadas en un eje y tres palas de unos 72 pares de bases de largo. El trabajo de laboratorio de Decker demostró que la turbina en realidad podía girar aplicando un campo eléctrico. El laboratorio de Aksimentiev realizó simulaciones de la dinámica molecular de todos los átomos en un sistema de cinco millones de átomos para caracterizar los fenómenos físicos del funcionamiento del motor.
El sistema era la representación más pequeña que podía proporcionar resultados significativos para el experimento; «Sin embargo, fue uno de los más grandes jamás simulados desde la perspectiva del origami de ADN», dijo Aksimentiev.
De “Misión Imposible” a “Misión Posible”.
El Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) otorgó a Aksimentiev un premio de recursos de liderazgo para respaldar su estudio de sistemas biológicos de mesoescala en Frontera, financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la supercomputadora académica líder en los Estados Unidos.
«Frontera ha sido fundamental en este trabajo con nanoturbinas de ADN», dijo Aksimentiev. “Obtuvimos trayectorias de simulación de microsegundos en dos o tres semanas, en lugar de esperar un año o más en sistemas informáticos más pequeños. Las grandes simulaciones se llevaron a cabo en Frontera con aproximadamente una cuarta parte de la máquina, más de 2.000 nudos”, dijo Aksimentiev. “Sin embargo, no se trata sólo del hardware, sino también de la interacción con los empleados de TACC. Es extremadamente importante hacer el mejor uso de los recursos tan pronto como tengamos la oportunidad”.
Aksimentiev también recibió subvenciones para supercomputadoras para este trabajo del Ecosistema de Coordinación de Infraestructura Cibernética Avanzada: Servicios y Soporte (ACCESS), financiado por NSF, en Expanse del Centro de Supercomputadoras de San Diego y Anvil de la Universidad Purdue.
“Tuvimos que simular hasta 100 sistemas nanomotores diferentes. Tuvimos que operarlos en diferentes condiciones y rápidamente, con los superordenadores ACCESS como soporte perfecto”, dijo Aksimentiev. «Gracias a la NSF por su apoyo; sin estos sistemas no podríamos hacer la ciencia que hacemos».
El ADN como elemento básico
El éxito de la nanoturbina de ADN en funcionamiento se basa en un estudio previo que también utilizó las supercomputadoras Frontera y ACCESS. El estudio demostró que una sola hélice de ADN es el motor eléctrico más pequeño que se puede construir: puede girar hasta mil millones de revoluciones por minuto.
Según Aksimentiev, el ADN se ha convertido en un material de construcción a nanoescala.
“La forma en que se forman los pares de bases del ADN es una herramienta de programación muy poderosa. “Podemos utilizar el software Cadnano para programar objetos geométricos tridimensionales a partir de ADN simplemente programando la secuencia de letras que forman los peldaños de la doble hélice”, explicó.
Otra razón para utilizar el ADN como componente básico es que lleva una carga negativa, una propiedad esencial para fabricar el motor eléctrico.
“Queríamos reproducir una de las máquinas biológicas más espectaculares: la ATP sintasa, que funciona con un campo eléctrico. Elegimos construir nuestro motor con ADN”, dijo Aksimentiev.
«Este nuevo trabajo es el primer nanomotor en el que podemos controlar la velocidad y dirección de rotación», añadió. Esto se hace ajustando el campo eléctrico a través de la membrana de nanoporos de estado sólido y las concentraciones de sal del líquido que rodea el rotor.
“En el futuro, podremos sintetizar una molécula utilizando el nuevo motor eléctrico a nanoescala o utilizarla como elemento de una fábrica molecular más grande donde se mueven las cosas. O podríamos pensar en ello como un vehículo de propulsión suave, donde los sistemas sintéticos pueden ingresar al torrente sanguíneo y examinar moléculas o células individualmente”, dijo Aksimentiev.
Si crees que esto suena como algo sacado de una película de ciencia ficción de los años 60, estás en lo cierto. En la película Viaje fantástico, un equipo de estadounidenses en un submarino nuclear es encogido e inyectado en el cuerpo de un científico para reparar un coágulo de sangre. Necesitan trabajar rápidamente antes de que la miniaturización se ralentice.
Por muy descabellado que parezca, Aksimentiev dice que el concepto y los elementos de las máquinas que estamos desarrollando hoy podrían hacer posible algo como esto.
«Pudimos lograr esto gracias a las supercomputadoras», dijo Aksimentiev. “Las supercomputadoras se están volviendo cada vez más indispensables a medida que aumenta la complejidad de los sistemas que construimos. Se trata de microscopios informáticos que pueden detectar con la mayor resolución el movimiento de átomos individuales y su conexión con un sistema más grande”.
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