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Biocélula incorporada al circuito CMOS con una membrana que contiene bombas de sodio-potasio. Imagen: Trevor Finney/Jared Roseman. Fuente: Columbia Engineering.
Investigadores de Columbia Engineering, de la Universidad de Columbia (Nueva York, EE.UU.), han conseguido, por primera vez, aprovechar la maquinaria molecular de los sistemas vivos para alimentar un circuito integrado con trifosfato de adenosina (ATP), la divisa energética de la vida.
Lo han conseguido mediante la integración de un circuito integrado de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) con una membrana de bicapa lipídica artificial que contiene bombas de iones impulsadas por ATP, abriendo la puerta a la creación de sistemas artificiales completamente nuevos que contienen componentes tanto biológicos como de electrónica de estado sólido.
El estudio, dirigido por Ken Shepard, profesor de Ingeniería Eléctrica y de Ingeniería Biomédica en Columbia Engineering, se ha publicado en línea en Nature Communications.
"Combinando un dispositivo electrónico biológico con CMOS, seremos capaces de crear nuevos sistemas que no son posibles con cualquiera de las dos tecnologías por separado", dice Shepard en la nota de prensa de Columbia. "Estamos entusiasmados ante la perspectiva de ampliar la gama de dispositivos activos que tendrán nuevas funciones, como recolectar energía de ATP, como hemos hecho aquí, o reconocer moléculas específicas, dando a los chips la capacidad del gusto y el olfato. Es un camino verdaderamente singular para nosotros".
Shepard 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 electrónica basada en membranas lipídicas y canales y bombas iónicas, que actúan como una especie de "transistor biológico."
Utilizan carga en forma de iones para llevar energía e información -los canales iones controlan el flujo de iones a través de membranas celulares. Los sistemas de estado sólido, como los de las computadoras y los dispositivos de comunicación, utilizan electrones; su señalización electrónica y su alimentación se controlan mediante transistores de efecto campo.
En los sistemas vivos, la energía se almacena en potenciales a través de membranas de lípidos, en este caso creadas a través 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.
Lo han conseguido mediante la integración de un circuito integrado de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) con una membrana de bicapa lipídica artificial que contiene bombas de iones impulsadas por ATP, abriendo la puerta a la creación de sistemas artificiales completamente nuevos que contienen componentes tanto biológicos como de electrónica de estado sólido.
El estudio, dirigido por Ken Shepard, profesor de Ingeniería Eléctrica y de Ingeniería Biomédica en Columbia Engineering, se ha publicado en línea en Nature Communications.
"Combinando un dispositivo electrónico biológico con CMOS, seremos capaces de crear nuevos sistemas que no son posibles con cualquiera de las dos tecnologías por separado", dice Shepard en la nota de prensa de Columbia. "Estamos entusiasmados ante la perspectiva de ampliar la gama de dispositivos activos que tendrán nuevas funciones, como recolectar energía de ATP, como hemos hecho aquí, o reconocer moléculas específicas, dando a los chips la capacidad del gusto y el olfato. Es un camino verdaderamente singular para nosotros".
Shepard 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 electrónica basada en membranas lipídicas y canales y bombas iónicas, que actúan como una especie de "transistor biológico."
Utilizan carga en forma de iones para llevar energía e información -los canales iones controlan el flujo de iones a través de membranas celulares. Los sistemas de estado sólido, como los de las computadoras y los dispositivos de comunicación, utilizan electrones; su señalización electrónica y su alimentación se controlan mediante transistores de efecto campo.
En los sistemas vivos, la energía se almacena en potenciales a través de membranas de lípidos, en este caso creadas a través 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.
Prototipo
Para construir un prototipo de su sistema híbrido, el equipo de Shepard, dirigido por el estudiante de doctorado Jared Roseman, empaquetó un circuito integrado CMOS con una "biocélula" recolectora de ATP. En presencia de ATP, el sistema bombea iones a través de la membrana, produciendo un potencial eléctrico recogido por el circuito.
"Hemos hecho una versión a macroescala de este sistema, de varios milímetros, para ver si funcionaba", señala Shepard. "Nuestros resultados proporcionan una nueva visión de un modelo de circuito generalizado, lo cual nos permite determinar las condiciones que maximizan la eficiencia de aprovechamiento de la energía química a través de la acción de estas bombas de iones. Ahora vamos a buscar la manera de disminuir la escala del sistema".
Aunque otros grupos han recolectado energía de los sistemas vivos, Shepard y su equipo están explorando cómo hacer esto a nivel molecular, aislando simplemente la función deseada e interconectándola con la electrónica. "No necesitamos toda la célula", explica. "Simplemente cogemos el componente de la célula que hace lo que nos interesa. Para este proyecto, aislamos las proteínas ATPasas porque eran las que nos permitían extraer energía del ATP".
La capacidad de construir un sistema que combine el poder de la electrónica de estado sólido con las capacidades de los componentes biológicos es muy prometedora. "Si usted necesita un perro detector de bombas, pero pudiera tomar sólo la parte del perro que le es útil -las moléculas que detectan las bombas-, no necesitaría todo el animal", dice Shepard.
"Con la escala adecuada, esta tecnología podría proporcionar una fuente de energía para sistemas implantados en entornos ricos en ATP, como el interior de las células vivas", añade Roseman.
Para construir un prototipo de su sistema híbrido, el equipo de Shepard, dirigido por el estudiante de doctorado Jared Roseman, empaquetó un circuito integrado CMOS con una "biocélula" recolectora de ATP. En presencia de ATP, el sistema bombea iones a través de la membrana, produciendo un potencial eléctrico recogido por el circuito.
"Hemos hecho una versión a macroescala de este sistema, de varios milímetros, para ver si funcionaba", señala Shepard. "Nuestros resultados proporcionan una nueva visión de un modelo de circuito generalizado, lo cual nos permite determinar las condiciones que maximizan la eficiencia de aprovechamiento de la energía química a través de la acción de estas bombas de iones. Ahora vamos a buscar la manera de disminuir la escala del sistema".
Aunque otros grupos han recolectado energía de los sistemas vivos, Shepard y su equipo están explorando cómo hacer esto a nivel molecular, aislando simplemente la función deseada e interconectándola con la electrónica. "No necesitamos toda la célula", explica. "Simplemente cogemos el componente de la célula que hace lo que nos interesa. Para este proyecto, aislamos las proteínas ATPasas porque eran las que nos permitían extraer energía del ATP".
La capacidad de construir un sistema que combine el poder de la electrónica de estado sólido con las capacidades de los componentes biológicos es muy prometedora. "Si usted necesita un perro detector de bombas, pero pudiera tomar sólo la parte del perro que le es útil -las moléculas que detectan las bombas-, no necesitaría todo el animal", dice Shepard.
"Con la escala adecuada, esta tecnología podría proporcionar una fuente de energía para sistemas implantados en entornos ricos en ATP, como el interior de las células vivas", añade Roseman.
Referencia bibliográfica:
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). DOI: 10.1038/NCOMMS10070.
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). DOI: 10.1038/NCOMMS10070.
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