Robot molecular con forma de araña recorriendo una superficie fabricada con origami de ADN. Fuente: Caltech.
Científicos de la Columbia University, de la Arizona State University, de la University of Michigan, y del Caltech, de Estados Unidos, han logrado que un robot molecular fabricado con ADN, se ponga en marcha, se mueva, cambie de dirección y se detenga en un entorno artificial, de secuencias de ADN.
Este logro permitirá, en un futuro, crear sistemas moleculares que, algún día, serán utilizados como dispositivos médicos que funcionarán a escala milimétrica, y que además podrán reposicionarse e incluso reconstruirse a sí mismos para desarrollar tareas terapéuticas diversas, publica el Caltech en un comunicado.
En un artículo aparecido en la revista Nature, los científicos explican que las funciones de los robots tradicionales dependen de la computación, que es lo que les permite almacenar representaciones internas de sus objetivos y de su entorno, y coordinar sus percepciones y sus actuaciones.
La idea corriente de un robot, por tanto, sería la de un aparato que percibe su entorno, toma una decisión, y después actúa, explica el bioingeniero Erik Winfree www.dna.caltech.edu/~winfree/, profesor de ciencias computacionales y de sistemas neuronales del Caltech y uno de los autores de esta investigación.
A nivel molecular, la robótica podría suponer para los procesos moleculares el mismo tipo de beneficios que la robótica y la automatización clásica suponen para la escala macroscópica.
Así, en teoría, los robots moleculares podrían ser programados para percibir su entorno (por ejemplo, la presencia de marcadores de una enfermedad en la célula), tomar una decisión (que la célula es cancerosa y debe ser neutralizada) y actuar en consecuencia (liberando una carga de medicamentos anticancerígenos).
Este logro permitirá, en un futuro, crear sistemas moleculares que, algún día, serán utilizados como dispositivos médicos que funcionarán a escala milimétrica, y que además podrán reposicionarse e incluso reconstruirse a sí mismos para desarrollar tareas terapéuticas diversas, publica el Caltech en un comunicado.
En un artículo aparecido en la revista Nature, los científicos explican que las funciones de los robots tradicionales dependen de la computación, que es lo que les permite almacenar representaciones internas de sus objetivos y de su entorno, y coordinar sus percepciones y sus actuaciones.
La idea corriente de un robot, por tanto, sería la de un aparato que percibe su entorno, toma una decisión, y después actúa, explica el bioingeniero Erik Winfree www.dna.caltech.edu/~winfree/, profesor de ciencias computacionales y de sistemas neuronales del Caltech y uno de los autores de esta investigación.
A nivel molecular, la robótica podría suponer para los procesos moleculares el mismo tipo de beneficios que la robótica y la automatización clásica suponen para la escala macroscópica.
Así, en teoría, los robots moleculares podrían ser programados para percibir su entorno (por ejemplo, la presencia de marcadores de una enfermedad en la célula), tomar una decisión (que la célula es cancerosa y debe ser neutralizada) y actuar en consecuencia (liberando una carga de medicamentos anticancerígenos).
Pero, ¿cómo podría programarse una molécula para que funcione de manera autónoma de la misma forma que lo hacen los robots a escala macroscópica, si las moléculas no pueden acoger un sistema informático a bordo?
Entorno con información contenida
En las moléculas, no se puede almacenar la misma cantidad de información que en un robot normal, así que la idea de los científicos fue almacenar la información sobre las órdenes a seguir por el robot diminuto en el exterior de éste, en su entorno.
Para lograrlo, imbuyeron el entorno molecular en que se iba a desplazar el robot con claves de información. Lo lograron gracias a una técnica conocida como “ADN de origami”, que permite generar estructuras con formas concretas de dos o tres dimensiones, a partir de una hebra simple de ADN a la que se unen otras en diversas áreas de la primera.
Gracias al ADN de origami, los científicos crearon un camino rectangular de dos nanómetros de ancho por 100 nanómetros de largo, por el que el robot molecular pudo moverse.
Éste, que medía nada más que cuatro nanómetros, se trasladó en línea recta hacia delante a través de dicho camino, efectuando un total de 50 pasos (cada nanómetro equivale a la billonésima parte de un metro, lo que da una idea del tamaño extremadamente pequeño tanto del robot como del entorno en que éste se movió).
El desplazamiento del robot vino dirigido por los oligonucleótidos (secuencias corta de con cincuenta o menos pares de bases) que los científicos añadieron al camino rectangular, y que funcionaron como “claves” que le indicaron al robot molecular qué hacer (ponerse en marcha, caminar, girar a la izquierda o a la derecha o pararse), de manera similar a como se da órdenes a los robots corrientes.
Todo el proceso fue captado por los científicos gracias a un microscopio de fuerza atómica.
Arañas andantes
El robot molecular escogido por los científicos fue del tipo de los robots “araña”, inventados por Milan N. Stojanovic y sus colaboradores de la Universidad de Columbia hace unos años.
Estos robots araña consisten en sistemas de ADN artificial ensamblado que se mueven como arañas sobre superficies cubiertas con sustratos o, como en este caso, sobre superficies creadas con ADN de origami.
El robot molecular del presente experimento tenía cuatro patas, tres de ellas hechas con ADN enzimático que es el ADN que se une a una secuencia particular de ADN. La cuarta pata de la “araña” fue una hebra de ADN que sirvió para ligar al robot al sitio de partida de su trayectoria (un oligonucleótido concreto del “camino” creado con el origami de ADN).
Una vez que el robot fue liberado de este sitio “de arranque” por otra hebra accionadora, siguió la ruta marcada ligándose y después separándose de las hebras de ADN del camino molecular. Una vez aferrado a alguna de dichas hebras, el robot se paraba y sus patas buscaban un nuevo sustrato al que aferrarse.
Aplicaciones futuras
Anteriormente, se habían creado moléculas “andadoras” de ADN, pero hasta ahora no se había conseguido que éstas dieran más de tres pasos. El robot molecular de los investigadores del Caltech recorrió alrededor de 100 nanómetros, dando unos 50 pasos.
Pero lo más importante ha sido la posibilidad de dirigir este recorrido en una dirección específica y de forma autónoma, señalan los científicos.
El próximo desafío será conseguir que el robot se mueva a mayor velocidad y resulte más programable, mejorando así su comportamiento lógico. Por otro lado, los investigadores planean será añadir un nuevo robot, un caminante molecular más, para que se produzca la comunicación entre ambos robots y el entorno.
La finalidad: que las dos máquinas moleculares trabajen juntas para conseguir objetivos comunes. Si se consigue desarrollar este tipo de colaboración, esto podría suponer la base para creación de robots re-configurables a escala molecular, máquinas complejas formadas por muchas unidades simples que podrán reorganizarse a sí mismas dando lugar a diversas formas encargadas de tareas diferentes.
En última instancia, estos robots podrían llegar a usarse para aplicaciones médicas, como la reparación de tejidos dañados, traslado de medicamentos y liberación de éstos en superficies como las membranas de las células. Pero, según los investigadores, para que esto llegue, aún quedan décadas de trabajo.
Entorno con información contenida
En las moléculas, no se puede almacenar la misma cantidad de información que en un robot normal, así que la idea de los científicos fue almacenar la información sobre las órdenes a seguir por el robot diminuto en el exterior de éste, en su entorno.
Para lograrlo, imbuyeron el entorno molecular en que se iba a desplazar el robot con claves de información. Lo lograron gracias a una técnica conocida como “ADN de origami”, que permite generar estructuras con formas concretas de dos o tres dimensiones, a partir de una hebra simple de ADN a la que se unen otras en diversas áreas de la primera.
Gracias al ADN de origami, los científicos crearon un camino rectangular de dos nanómetros de ancho por 100 nanómetros de largo, por el que el robot molecular pudo moverse.
Éste, que medía nada más que cuatro nanómetros, se trasladó en línea recta hacia delante a través de dicho camino, efectuando un total de 50 pasos (cada nanómetro equivale a la billonésima parte de un metro, lo que da una idea del tamaño extremadamente pequeño tanto del robot como del entorno en que éste se movió).
El desplazamiento del robot vino dirigido por los oligonucleótidos (secuencias corta de con cincuenta o menos pares de bases) que los científicos añadieron al camino rectangular, y que funcionaron como “claves” que le indicaron al robot molecular qué hacer (ponerse en marcha, caminar, girar a la izquierda o a la derecha o pararse), de manera similar a como se da órdenes a los robots corrientes.
Todo el proceso fue captado por los científicos gracias a un microscopio de fuerza atómica.
Arañas andantes
El robot molecular escogido por los científicos fue del tipo de los robots “araña”, inventados por Milan N. Stojanovic y sus colaboradores de la Universidad de Columbia hace unos años.
Estos robots araña consisten en sistemas de ADN artificial ensamblado que se mueven como arañas sobre superficies cubiertas con sustratos o, como en este caso, sobre superficies creadas con ADN de origami.
El robot molecular del presente experimento tenía cuatro patas, tres de ellas hechas con ADN enzimático que es el ADN que se une a una secuencia particular de ADN. La cuarta pata de la “araña” fue una hebra de ADN que sirvió para ligar al robot al sitio de partida de su trayectoria (un oligonucleótido concreto del “camino” creado con el origami de ADN).
Una vez que el robot fue liberado de este sitio “de arranque” por otra hebra accionadora, siguió la ruta marcada ligándose y después separándose de las hebras de ADN del camino molecular. Una vez aferrado a alguna de dichas hebras, el robot se paraba y sus patas buscaban un nuevo sustrato al que aferrarse.
Aplicaciones futuras
Anteriormente, se habían creado moléculas “andadoras” de ADN, pero hasta ahora no se había conseguido que éstas dieran más de tres pasos. El robot molecular de los investigadores del Caltech recorrió alrededor de 100 nanómetros, dando unos 50 pasos.
Pero lo más importante ha sido la posibilidad de dirigir este recorrido en una dirección específica y de forma autónoma, señalan los científicos.
El próximo desafío será conseguir que el robot se mueva a mayor velocidad y resulte más programable, mejorando así su comportamiento lógico. Por otro lado, los investigadores planean será añadir un nuevo robot, un caminante molecular más, para que se produzca la comunicación entre ambos robots y el entorno.
La finalidad: que las dos máquinas moleculares trabajen juntas para conseguir objetivos comunes. Si se consigue desarrollar este tipo de colaboración, esto podría suponer la base para creación de robots re-configurables a escala molecular, máquinas complejas formadas por muchas unidades simples que podrán reorganizarse a sí mismas dando lugar a diversas formas encargadas de tareas diferentes.
En última instancia, estos robots podrían llegar a usarse para aplicaciones médicas, como la reparación de tejidos dañados, traslado de medicamentos y liberación de éstos en superficies como las membranas de las células. Pero, según los investigadores, para que esto llegue, aún quedan décadas de trabajo.