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Futuro nanotecnológico y pinzas ópticas

Sería difícil, casi imposible, imaginarse la vida sin tecnología. Una vida sin coches, sin cocinas, sin utensilios tan sencillos, pero necesarios, como puede ser una cuchara, o una bombilla, u otros ya más complejos, como un teléfono móvil o un ordenador.

La vida sería posible, pero más incómoda y difícil de la que disfrutamos actualmente. Todos estos utensilios, tienen algo en común, y es que su desarrollo y existencia tiene una dependencia vital en la tecnología, ya sea en la forma que se funde la cuchara, o en la forma en la que se fabrican los circuitos eléctricos de un ordenador.

Si nos fijamos en los circuitos eléctricos, y en concreto, en la alta tecnología que los hace posible, aparece surge la Nanotecnología como un soporte esencial en su desarrollo. Pero ¿qué es la Nanotecnología? Este concepto hace referencia a la tecnología llevada a cabo en el marco de las distancias nanométricas, lo que hace que aflore la siguiente cuestión: ¿de qué distancias estamos hablando? Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro, que sería como comparar el tamaño de una persona, con la distancia entre Madrid y París. Es decir, cuando se habla de Nanotecnología, hablamos de la tecnología de lo muy muy pequeño.

Para manipular los utensilios que usamos en nuestro quehacer cotidiano empleamos nuestras manos, para manejar elementos más pequeños utilizamos, por ejemplo, pequeñas pinzas metálicas, pero para manipular lo nanométrico, el instrumental empleado es más sofisticado y complejo. Aquí vamos a analizar un aparato en concreto que se utiliza para manipular sistemas nanométricos: las pinzas ópticas.

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A la izquierda: Dibujo esquemático de las pinzas ópticas. Una de las microesferas es atrapada por dos rayos láser focalizados, y la otra se sujeta por succión de aire en un tubo de vidrio de diámetro micrométrico. Entre ambas se estira una molécula de ADN. A la derecha: Imágen real del sistema tomada con con una cámara CCD. La molécula de ADN no se puede ver a simple vista, pero es posible su detección.

Este instrumento consiste en dos láser focalizados en un punto y en direcciones opuestas, de forma que es capaz de enfocar sobre objetos de muy pequeño tamaño (del orden de una micra, una milésima parte de un milímetro). Además posee una particularidad, y es que si el objeto atrapado tiene unas propiedades físicas determinadas, el rayo láser focalizado se comporta como un muelle. Quizá esto suene particularmente extraño, pero se puede hacer una analogía que permita comprender estos conceptos. Imagine dos ríos que confluyen, en direcciones opuestas, en un mismo punto. Si ahora colocamos a un nadador en dicho punto, y decide desplazarse de su posición, aparecerá una fuerza que obligue a dicho deportista a volver a su lugar de origen, de forma que en cierto modo el sistema fluvial actúa como un muelle que devuelve al nadador siempre al mismo lugar. En ciencia este punto es conocido como punto de equilibrio, y se trata de un concepto muy importante en todo sistema físico.

Si el lector sustituye ahora las corrientes de agua por sendos rayos láser, y al nadador por una microesfera (una esfera de dimensiones micrométricas) de plástico (específicamente plástico, ya que es el material que permite que los focos de luz láser actúen sobre ella como las corrientes de agua sobre el nadador) y tendremos las ya mencionadas pinzas ópticas.

Pero para entender el funcionamiento de éste sistema volvamos a nuestro deportista, y supongamos que tiene atada una cuerda, mientras que una segunda persona situada en la orilla tira de la cuerda para ayudarle a salir. Si el ayudante tira con suficiente fuerza y desplaza al nadador de la zona de confluencia de las corrientes, entonces estará aplicando una tensión suficientemente alta para mover al deportista, y se detectará un desplazamiento del nadador. Si por el contrario el ayudante aplica una fuerza pero el nadador no se mueve, entonces la tensión aplicada será insuficiente, y no se detectará movimiento alguno. Es decir, podemos determinar si se está aplicando mucha o poca fuerza sobre el sistema si estudiamos el desplazamiento del nadador respecto al punto de equilibrio. Si cambiamos otra vez el río por rayos láser, al nadador por una microesfera, la cuerda por una molécula de ADN, y a la persona de la orilla por un sistema capaz de realizar desplazamientos micrométricos, tendríamos todos los elementos de nuestro aparato de pinzas ópticas.

En resumen: las pinzas ópticas es un instrumento que nos permite atrapar esferas de pequeño tamaño, a las que se puede una molécula de ADN y ejercer fuerzas sobre el sistema, es decir, sobre la propia molécula. ¿Y esto qué utilidad tiene? La primera de ellas, e inmediata, elaborar estudios biológicos sobre la estructura mecánica y física del ADN, así como entender cómo funciona la interacción entre determinadas proteínas (de tamaño de apenas unos nanómetros) y nuestro material genético, de forma mecánica e individualizada.

Al ser un instrumento novedoso, sus aplicaciones están aún por descubrir. Sin embargo, ya hay algunos estudios muy interesantes que utilizan las pinzas ópticas como herramienta. Uno de ellos es el estudio y caracterización del funcionamiento de motores moleculares sintéticos. Este nombre tan llamativo hace referencia a pequeñas máquinas de tamaño molecular que son capaces de utilizar una energía para producir un movimiento, tales como son los motores de coches o los motores convencionales que tiran de un ascensor.

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La microesfera atrapada en el tubo de vidrio está funcionalizada con proteínas en su superficie. Estas proteínas se comportan como motores ya que son capaces de tirar de la molécula de ADN de forma similar a una polea motorizada. Fuente: Nucleic Acids Res. 2015 Apr 20;43(7):3643-52. doi: 10.1093/nar/gkv204.

Ser capaces de desarrollar estos pequeños motores moleculares podría dar lugar, en un futuro, a la producción de materiales y herramientas muy útiles y fundamentales para el ser humano, tales como fibras musculares artificiales (encadenando y agrupando sistemáticamente una gran cantidad de motores moleculares que se contraigan y tiren unos de otros con un estímulo de corriente eléctrica). Las pinzas ópticas también permitirán desarrollar y caracterizar nanomuelles basados en proteínas (formadas por cadenas de aminoácidos cuyo estado de equilibrio consiste en permanecer plegadas de diversas formas), siendo posible su estiramiento mecánico y recuperación de su forma natural dependiendo de la fuerza aplicada.

Además, dado la naturaleza no invasiva de las pinzas ópticas y su carácter confinador en el lugar donde se focalizan los láser, permite manipular y transportar elementos de pequeño tamaño, como pueda ser una partícula cargada con un fármaco a través de una célula para experimentos “in vivo” y averiguar qué problemas y dificultades puede experimental dicha partícula a la hora de atravesar la célula para llegar al orgánulo destino, y liberar el fármaco.

Dado que las pinzas ópticas permiten aplicar tensión de forma muy localizada, actualmente las pinzas ópticas se utilizan para estudiar la elasticidad y estructura de las membranas celulares, para desarrollar modelos, elaborar diseños y así poder fabricar membranas celulares sintéticas con tecnología nanotecnológica.

Todas estas aplicaciones nos deparan un futuro cuanto menos interesante, y su origen y desarrollo empieza con el estudio y caracterización básica de sus componentes fundamentales gracias a instrumentos tan precisos y novedosos como las pinzas ópticas.

 

Fuente imagen destacada (instrumento de pinzas ópticas): http://borjaibarralab.com/

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