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Investigadores de ingeniería de Columbia han aprovechado, por primera vez, la maquinaria molecular de los sistemas vivos para alimentar un circuito integrado con trifosfato de adenosina (ATP), la moneda energética de la vida

Lo logaron integrando un circuito integrado convencional de estado sólido, un semiconductor del tipo metal-óxido-complementario (CMOS), con una membrana artificial lipídica bicapa que contiene bombas de iones impulsados por ATP, lo que abre la puerta a la creación de sistemas artificiales completamente novedosos que contengan componentes tanto biológicos como de estado sólido. El estudio, dirigido por Ken Shepard, profesor de Ingeniería Eléctrica y profesor de ingeniería biomédica en Ingeniería de Columbia, se publicó en línea el 7 de diciembre en Nature Communications.

“Combinando un dispositivo electrónico biológico con CMOS podremos crear nuevos sistemas que no son posibles con una u otra tecnología por sí sola”, dice Shepard. “Estamos muy entusiasmados ante la perspectiva de ampliar la gama de dispositivos activos que tendrán nuevas funciones, como la recolección de energía de ATP, como se hizo aquí, o el reconocimiento de moléculas específicas, dando a los chips la posibilidad de degustar y oler. Esta fue una dirección bastante nueva y única para nosotros y tiene un gran potencial para darle nuevas capacidades a los sistemas de estado sólido con componentes biológicos”.

Shepard, cuyo laboratorio es líder en el desarrollo de sistemas de ingeniería de estado sólido interconectados con sistemas biológicos, señala que a pesar de su éxito abrumador, la electrónica CMOS de estado sólido es incapaz de replicar ciertas funciones naturales de los sistemas vivos, como los sentidos del gusto y el olfato y el uso de fuentes de energía bioquímica. Los sistemas vivos logran esta funcionalidad con su propia versión de la electrónica, basada en membranas lipídicas y canales iónicos y bombas que actúan como una especie de “transistor biológico”. Ellos usan carga en forma de iones para llevar energía e información; los canales iónicos controlan el flujo de iones a través de las membranas celulares. Los sistemas de estado sólido, como los de las computadoras y los dispositivos de comunicación, usan electrones; sus señales electrónicas y la alimentación son controlados por transistores de efecto de campo.

En los sistemas vivos, la energía se almacena en potenciales a través de membranas de lípidos, en este caso creados por medio de la acción de bombas de iones. El ATP se utiliza para transportar la energía desde donde se genera hasta donde se consume en la célula. Para construir un prototipo de su sistema híbrido, el equipo de Shepard, dirigido por el estudiante de doctorado Jared Roseman, envasó un circuito integrado CMOS con una ‘biocelda’ colectora de ATP. En presencia del ATP, el sistema bombea iones a través de la membrana, produciendo un potencial eléctrico que es aprovechado por el circuito integrado.

“Hemos hecho una versión a macroescala de este sistema, en la escala de varios milímetros, para ver si funcionaba”, señala Shepard. “Nuestros resultados proporcionan una nueva visión de un modelo de circuito generalizado, lo que nos permite determinar las condiciones para maximizar la eficiencia del aprovechamiento de la energía química a través de la acción de estas bombas de iones. Ahora vamos a estar buscando la manera de ampliar el sistema.”

Mientras que otros grupos han cosechado energía de sistemas vivos, Shepard y su equipo están explorando cómo hacer esto a nivel molecular, aislando simplemente la función deseada e interconectando esto con la electrónica. “No necesitamos toda la célula”, explica. “Sólo agarramos el componente de la célula que hace lo que queremos. Para este proyecto, se aislaron las ATPasas porque eran las proteínas que nos permitieron extraer energía del ATP.”

La capacidad de construir un sistema que combina el poder de la electrónica de estado sólido con la capacidad de los componentes biológicos es una gran promesa. “Si necesita un perro detector de bombas, pero si usted puede tomar sólo la parte del perro que le es útil —las moléculas que están haciendo la detección— no se necesita todo el animal”, dice Shepard.

 


 

“Con la escala adecuada, esta tecnología podría proporcionar una fuente de energía para los sistemas implantados en entornos ricos en ATP, como el interior de las células vivas”, añadió Roseman.

Referencia de publicación: Jared M. Roseman, Jianxun Lin, Siddharth Ramakrishnan, Jacob K. Rosenstein, Kenneth L. Shepard. Hybrid integrated biological–solid-state system powered with adenosine triphosphate. Nature Communications, 2015; 6: 10070 DOI: 10.1038/NCOMMS10070.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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