Imitar a la Naturaleza en la formación de las moléculas que generan nanomateriales es el procedimiento desarrollado por investigadores de la universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Estados Unidos. Estos científicos han conseguido generar un proceso de corrección de defectos –similar al que emplea la Naturaleza- que han introducido en el ensamblaje de los nanomateriales. El nuevo sistema de prueba y corrección de errores está basado en la catálisis del ADN, y representa un paradigmático salto en lo que a ingeniería y ciencia a nanoescala se refiere, informa la propia universidad de Illinois . Los resultados de este trabajo también han sido publicados por la revista Angewandte Chemie.
Aunque hasta la fecha ya se habían hecho numerosos progresos en el auto-ensamblaje de los nanomateriales, los defectos que se desarrollaban durante los procesos de formación constituían uno de los mayores escollos para la creación y aplicación de dichos materiales en determinados campos, como la electrónica molecular. Los esfuerzos por solventar las dificultades se habían centrado en minimizar los errores durante los procesos de ensamblaje nanomolecular, así como en diseñar sistemas que pudieran tolerar dichos errores.
Nanopartículas de oro que aprenden del ADN
En lugar de evitar los fallos en la formación de los nanomateriales o trabajar con dichos fallos, a los investigadores de Illinois les pareció que tenía más sentido aceptar los defectos como parte del proceso y corregirlos durante y después de éste. Eso es lo que explican Yi Lu, un profesor de química de dicha universidad, y sus colegas del Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Esta manera de funcionamiento es análoga a la que sigue la naturaleza al “cometer” errores en la formación de los materiales que genera, y ha podido aplicarse al ensamblaje de los nanomateriales gracias a la utilización de compuestos biomoleculares o biomiméticos.
Según explica Lu, en el proceso de la síntesis de las proteínas, la Naturaleza asegura la exactitud con unidades de corrección que detectan y rectifican errores. Lu y sus colegas han reproducido este mismo proceso utilizando ADN catalítico para localizar y eliminar los fallos: una plantilla de ADN ha sido la encargada de “enseñar” el proceso adecuado de ensamblaje a las nanopartículas del oro.
El ADN catalítico contiene un sustrato filamentoso y una enzima también filamentosa. En presencia de ciertos iones, el sustrato es dividido por la enzima en dos partes que tienen longitudes distintas. El fragmento hendido que tiene un brazo más corto para realizar las conexiones del ensamblaje suele ser desechado en el proceso. Es este modelo del ADN el que sirve de plantilla para el ensamblaje de las nanopartículas.
Existen tres tipos de nanopartículas codificadas por diferentes ADN en el sistema: dos de ellas son correctas, y otra no lo es. Además de la diferencia en la codificación del ADN, las nanopartículas también pueden ser distintas en otros aspectos, como el tamaño.
Asumir los errores
Para conseguir que el sustrato del ADN catalítico sirva de plantilla para el ensamblaje de las nanopartículas, hay que asumir en primer lugar que las nanopartículas de oro que se han usado para el ensamblaje pueden incorporar la partícula equivocada a su estructura.
Cuando una partícula de tamaño no adecuado es incorporada por error al ensamblaje, la encima del ADN es capaz de enlazar sus dos brazos con el sustrato de la plantilla, y formar una estructura activa que hiende el sustrato y elimina la partícula errónea.
Cuando, por el contrario, las nanopartículas encuentran la partícula que tiene el tamaño correcto, se puede realizar la conexión, al igual que en la plantilla de la enzima del ADN, mientras que se inhibe el ensamblaje con aquellas partículas de brazo más corto. Como resultado, en ambos casos, la plantilla de ADN serviría para que la partícula correcta sea incorporada al ensamblaje.
De esta forma, queda demostrado que, siguiendo el proceso de captar y desechar partículas erróneas, los nanomateriales son capaces de emular a la Naturaleza en su propia formación. Esta capacidad de corrección de errores puede extenderse a muchas otras biomoléculas y compuestos biomiméticos con el fin de que controlen el ensamblaje de nanopartículas de tamaños definidos y seleccionados, formas y composiciones. Nanomateriales como los nanotubos o los nanocables podrían emplear también este mismo sistema.
El trabajo de investigación de Yi Lu y sus colegas fue puesto en marcha por el Ministerio de Defensa estadounidense y la National Science Foundation, y según los investigadores supone un paso muy seguro e importante en lo que al desarrollo de nanomateriales se refiere.