Programación con el interruptor de luz

Cómo controlar los componentes individuales de las estructuras moleculares autoensambladas

08.05.2020 - Alemania

En el desarrollo de sistemas y materiales autónomos, las estructuras moleculares autoensambladas controladas por redes de reacción química son cada vez más importantes. Sin embargo, faltan mecanismos externos sencillos que garanticen que los componentes de esas redes de reacción puedan activarse de manera controlada. Un equipo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Andreas Walther y el Prof. Dr. Henning Jessen del Cluster de Excelencia en Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Energéticamente Autónomos (livMatS) y Jie Deng del Instituto de Química Macromolecular de la Universidad de Friburgo son los primeros en mostrar cómo los componentes individuales de las estructuras autoensambladas basadas en el ADN pueden ser activadas y controladas usando fotointerruptores de luz reactiva.

Utilizando modelos biológicos como los microtúbulos, los investigadores están desarrollando estructuras auto-ensambladas. Los microtúbulos son complejos de proteínas que forman una estructura dinámica de andamiaje en las células de las plantas, animales y humanos. Su estructura auto-ensamblada significa que los microtúbulos se están formando y degradando constantemente al mismo tiempo. Esto permite que el andamiaje se adapte fácilmente a situaciones cambiantes y reaccione rápidamente a los estímulos reordenando los bloques de construcción. Estos procesos son impulsados por una constante disipación de energía, es decir, una conversión de energía, que el organismo regula mediante mecanismos de retroalimentación. Las estructuras de los materiales que actúan de forma autónoma, como las desarrolladas por los científicos en el grupo de excelencia de livMatS, deberían ser igualmente adaptables en el futuro. Esto puede lograrse con sistemas en los que se produce una activación y desactivación energética que causa la formación estructural y la degradación de los bloques de construcción.

En su trabajo, los investigadores de Friburgo añaden el proveedor de energía adenosín trifosfato (ATP) a los bloques de construcción de ADN de tal sistema. Los científicos han instalado fotointerruptores moleculares en un lado del ATP. Estos reaccionan a la luz cayendo cuando son específicamente irradiados y liberando el ATP como una efectiva molécula de combustible para el sistema. El control sobre los fotoconmutadores está influenciado por la longitud de onda de la luz, la duración de la irradiación y la intensidad de la luz. La activación específica del ATP desencadena a su vez un proceso: una enzima cierra un enlace que forma hebras más largas a partir de los monómeros del ADN. Otra enzima, que puede reconocer y cortar el ADN en determinadas posiciones, vuelve a cortar los sitios de unión. Esto da lugar a una formación y degradación simultánea de los bloques de construcción. Durante este proceso, los bloques de construcción del ADN se combinan para formar un polímero.

"Nuestro objetivo a largo plazo es utilizar el combustible biológico ATP para desarrollar materiales sintéticos que al menos desdibujen la línea entre la materia viva y la muerta", explica Andreas Walther. "Si somos capaces de usar el ATP como combustible y convertir la energía química en trabajo, podemos diseñar la próxima generación de materiales para implantes que puedan cambiar activamente e interactuar verdaderamente con el cuerpo humano".

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