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(noticias nanowerk) Los investigadores de Princeton aprendieron a aprovechar el andamio ultrafino que mantiene la estructura de las células vivas y lo utilizaron para desarrollar una plataforma de nanotecnología. En última instancia, la técnica podría conducir a avances en robótica blanda, nuevos medicamentos y el desarrollo de sistemas sintéticos para el transporte biomolecular de alta precisión.
Las tesis centrales
Investigación
En un artículo publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (“Construyendo circuitos citoesqueléticos en el chip a través de redes de microtúbulos ramificados”), los investigadores demostraron un método con el que pueden controlar con precisión el crecimiento de las redes de biopolímeros que forman parte del citoesqueleto. Pudieron construir estas redes en un microchip, formando un tipo de circuito que utiliza señales químicas en lugar de eléctricas.
Dentro de las células, las proteínas tubulina forman varillas largas e increíblemente delgadas llamadas microtúbulos. Las redes de microtúbulos crecen como raíces de árboles en sistemas ramificados que forman un elemento primario del citoesqueleto que da forma a las células y les permite dividirse.
La estructura microtubular no sólo ayuda a mantener la forma de la célula sino que también funciona como un ferrocarril molecular. Las proteínas motoras especializadas transportan cargas moleculares a lo largo de filamentos de microtúbulos. Ligeros cambios en la estructura molecular de los microtúbulos actúan como señales para ajustar el curso de los transportadores químicos y enviar cargas moleculares a su objetivo. En Princeton, las preguntas sobre estas redes intracelulares llevaron a una colaboración entre Sabine Petry, profesora asociada de biología molecular, y Howard Stone, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial que se especializa en mecánica de fluidos.
«Los sistemas biológicos que nos inspiraron fueron los axones», dijeron Meisam Zaferani, investigador principal, y Gilbert S. Omenn, MD. ’61 y Martha A. Darling *70 Fellow en el Instituto de Bioingeniería y Biología Molecular de Princeton. «Los axones son proyecciones largas que sobresalen de una neurona y permiten el transporte molecular dirigido».
En el sistema nervioso, las redes de microtúbulos funcionan como estructuras que conectan las células nerviosas y como medio para que el sistema nervioso transmita señales químicas que producen sensaciones. Zaferani dijo que los científicos todavía están trabajando para comprender los elementos del crecimiento de los microtúbulos y las propiedades químicas. Pero dijo que el equipo de investigación quería saber si podían utilizar las redes para aplicaciones prácticas.
«Los ingenieros y físicos han comenzado a estudiar los microtúbulos como componentes para construir nuevos materiales y tecnologías», dijo. «Hay muchos misterios sobre sus propiedades fundamentales, pero sabemos lo suficiente como para pensar en cómo podríamos diseñar estos sistemas».
Junto con su coinvestigador Ryungeun Song, Zaferani trabajó para desarrollar un sistema para controlar el crecimiento de microtúbulos en los laboratorios de sala blanca del Instituto de Materiales de Princeton. Utilizando equipos especiales para micro y nanofabricación, así como microfluidos, los investigadores controlaron con precisión el crecimiento de las ramas de los microtúbulos. Pudieron ajustar el ángulo y la dirección del crecimiento y crear microestructuras en las que se regulaba la dirección del crecimiento de los microtúbulos. Zaferani dijo que el Instituto de Materiales ofrece una combinación única de equipos y experiencia que no se encuentra en ningún otro lugar.
A continuación, los investigadores planean dirigir la carga química a lo largo de las ramas de los microtúbulos. El objetivo es construir un sistema de transporte de productos químicos controlable. En un contexto relacionado, también están investigando el uso de redes de microtúbulos como herramientas como micropinzas que ejercen fuerza física sobre objetos increíblemente pequeños.
El grupo de investigación de Petry ha colaborado durante mucho tiempo con Stone, profesor Donald R. Dixon ’69 y Elizabeth W. Dixon de ingeniería mecánica y aeroespacial, en la intersección de la biología y la dinámica de fluidos. En 2021, recibieron una subvención del Fondo de Tecnología Transformativa Eric y Wendy Schmidt de Princeton. Contrataron a Song, un ingeniero mecánico cuyo trabajo de posgrado se había centrado en microfluidos; y Zaferani, un biofísico que había estado estudiando las pistas que ayudan a los espermatozoides de los mamíferos a pasar al óvulo.
Stone, que a menudo colabora con colegas en ingeniería y ciencia, dijo que combinar experiencia de diferentes disciplinas a menudo produce resultados notables.
“Me parece muy interesante encontrar problemas que afecten a la mecánica de fluidos en otras áreas”, afirmó. «A menudo encuentro un tema que ni los científicos del otro lado ni yo comprendemos bien, y juntos trabajamos para resolverlo».
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