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Según un estudio publicado en Nanotecnología de la naturalezaLos científicos han creado el primer motor eléctrico funcional a nanoescala de la historia. El equipo científico creó una turbina diseñada con ADN que funciona mediante flujo hidrodinámico dentro de un nanoporo: un agujero en una membrana de nitruro de silicio de estado sólido que tiene solo un nanómetro de tamaño.
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El pequeño motor podría ser un catalizador para futuras investigaciones sobre aplicaciones como la creación de fábricas moleculares para producir sustancias químicas valiosas o sondas médicas que utilicen moléculas en el torrente sanguíneo para identificar enfermedades como el cáncer.
Las máquinas macroscópicas tradicionales se vuelven ineficientes en la nanoescala. Necesitamos desarrollar nuevos principios y mecanismos físicos para realizar motores eléctricos a muy, muy pequeña escala.
Aleksei Aksimentiev, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Illinois en Urbana-Champagne
Hendrik Dietz de la Universidad Técnica de Munich y Cees Dekker de la Universidad Tecnológica de Delft llevaron a cabo el trabajo experimental con el pequeño motor.
Dietz es una autoridad mundial en ADN del origami. La turbina del pequeño motor, que consta de tres palas con una longitud total de unos 72 pares de bases y treinta hélices de ADN bicatenario dispuestas sobre un eje, fue creada por su grupo manipulando moléculas de ADN.
El laboratorio de Decker demostró que la turbina podía girar cuando se le aplicaba un campo eléctrico. Utilizando un sistema de cinco millones de átomos, el grupo de Aksimentiev realizó simulaciones de la dinámica molecular de todos los átomos para caracterizar los eventos físicos involucrados en el funcionamiento del motor.
El sistema fue el modelo más simple del experimento que podría conducir a hallazgos significativos.
Aksimentiev añadió: “Fue uno de los más grandes jamás simulados desde la perspectiva del origami de ADN.«
De “Misión Imposible” a “Misión Posible”.
Aksimentiev recibió un premio de recursos de liderazgo del Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) para apoyar su investigación sobre sistemas biológicos de mesoescala en Frontera, la supercomputadora académica más importante del país financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).
“Frontera jugó un papel decisivo en este trabajo con nanoturbinas de ADN. Obtuvimos trayectorias de simulación de microsegundos en dos o tres semanas, en lugar de tener que esperar un año o más en sistemas informáticos más pequeños. Las grandes simulaciones se llevaron a cabo en Frontera con aproximadamente una cuarta parte del motor: más de 2.000 nudos; Pero 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.explicó Aksimentiev.
Aksimentiev también recibió subvenciones para supercomputadoras para este estudio del Ecosistema de Coordinación de Infraestructura Cibernética Avanzada: Servicios y Soporte (ACCESS), financiado por NSF, en los terrenos del Centro de Supercomputación de San Diego y Anvil en la Universidad Purdue.
“Tuvimos que simular hasta 100 sistemas nanomotores diferentes. Tuvimos que operarlos en diferentes condiciones y rápidamente, con los superordenadores ACCESS apoyándonos perfectamente. Gracias a la NSF por su apoyo: sin estos sistemas no podríamos hacer la ciencia que hacemos“Aksimentiev añadió.
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. Según el estudio, una única hélice de ADN es el motor eléctrico más pequeño posible, capaz de girar hasta mil millones de revoluciones por minuto.
Aksimentiev afirma que el ADN resultó ser 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. Usando el software Cadnano, podemos programar objetos geométricos tridimensionales a partir de ADN simplemente programando la secuencia de letras que forman los peldaños de la doble hélice.
Aleksei Aksimentiev, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Illinois en Urbana-Champagne
Otro argumento para aceptar el ADN como componente básico es que tiene una carga negativa, necesaria para la formación de un motor eléctrico.
Explicó además: “Queríamos reproducir una de las máquinas biológicas más espectaculares: la ATP sintasa, que funciona mediante un campo eléctrico. Decidimos construir nuestro motor con ADN.«
Y añadió: «Este nuevo trabajo es el primer nanomotor donde podemos controlar la velocidad y dirección de rotación.«
Esto se logra variando el campo eléctrico a través de la membrana de nanoporos de estado sólido y las concentraciones de sal en el líquido alrededor del rotor.
Él explicó, «En el futuro, podríamos 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 una por una.«
Aksimentiev concluyó: “Pudimos lograr esto gracias a las supercomputadoras. 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 el movimiento de átomos individuales y su conexión con un sistema más grande con la más alta resolución.«
Referencia de la revista:
Shi, X., et. Alabama. (2024) Una turbina de ADN impulsada por un potencial transmembrana a través de un nanoporo. Nanotecnología de la naturaleza. doi:10.1038/s41565-023-01527-8.
Fuente: https://www.utexas.edu/
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