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Biblioteca de la Universidad Complutense de Madrid

Viernes, 24 de noviembre de 2017

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Investigadores complutenses desarrollan nanomáquinas que se comunican usando reacciones químicas

El grupo de Nanosensores y Nanomáquinas de la UCM, liderado por el profesor Reynaldo Villalonga, en colaboración con la Universidad Politécnica de Valencia, acaba de publicar en Nature Communications un artículo en el que presentan un diseño de nanomáquinas que se comunican entre ellas. El propio Villalonga explica que una de las líneas de investigación que tiene su grupo es el diseño de nanomáquinas," es decir, máquinas de proporciones nanométricas, del orden de 10-9 nanómetros, y que además que sean capaces de actuar de manera autónoma, que se comporten como robots, pero que tengan esa escala". La razón de este tamaño tan reducido es que cuando se necesita ejercer una acción sobre un tejido o una célula, por ejemplo una cancerígena, es neceario una máquina que tenga las mismas o menores dimensiones para no ser identificado como un invasor.

 

Reynaldo Villalonga recuerda que nuestro sistema inmune es resultado de que evolucionamos en un mundo en el que ya estaban presentes los microorganismos, así que uno de los mecanismos que tiene dicho sistema, para reconocer la injerencia de otra entidad, es ver el tamaño. "Si la injerencia es demasiado grande, del orden de los micrómetros, el sistema inmunológico propio lo reconoce como extraño, crea defensas y lo anula, así que para poder trabajar a nivel celular, en el combate de enfermedades, hay que hacerlo en dimensiones menores para que no sean reconocidas por el sistema inmune", reconoce el profesor.


El desarrollo de máquinas en esas dimensiones tiene muchas complicaciones, porque el concepto que tenemos habitualmente de las máquinas es que suelen utilizar energía eléctrica, cuentan con un sistema de procesamiento y además una estructura mecánica que le permite ejercer su función. Así que no es posible tomar el concepto que se tiene hoy en día de un robot y miniaturizarlo a esas dimensiones, "sino que hay que utilizar estructuras que ya tengan ese tamaño y ahí poder ensamblar los diferentes mecanismos que aseguren el funcionamiento de la máquina como un sistema autónomo".


Asegura Paloma Martínez Ruiz, miembro del grupo de Investigación y del Departamento de Química Orgánica I de la Facultad de Ciencias Químicas, que el objetivo es lograr una máquina que tenga "un sistema de reconocimiento como un robot, que sea capaz de mirarte, de moverse y de reconocer y procesar la información, pero eso es algo muy complicado, algo que hasta el momento no se ha podido lograr".


La propuesta del grupo complutense, en colaboración con la Universidad Politécnica de Valencia, ha sido utilizar como sistema, "como hardware donde ensamblar esas máquinas, una nanopartícula que se desarrolla en el laboratorio de la UCM". Aclara Villalonga que se trata de "partículas anisotrópicas (cuyas propiedades varían según la dirección en que son examinadas) tipo Janus, que son partículas que tienen dos caras y si se llaman Janus es por el dios griego del mismo nombre, que tenía dos caras, una hacia el futuro y la otra hacia el pasado".

 


El sistema desarrollado en la UCM utiliza partículas con dos caras, una que funciona como nanocontenedor, y otra que funciona como sistema de reconocimiento


 

Estas partículas Janus que se preparan en la Complutense cuentan con una cara de sílice mesoporosa. La acción para la que se desarrollan en principio estas nanomáquinas es para la liberación de forma selectiva de un compuesto, en concreto un medicamento, un antitumoral, así que "la parte mesoporosa va a funcionar como un nanocontenedor donde se va a encapsular el medicamento y se va a liberar de manera controlada. Bajo la presencia de determinada señal en el medio, es decir un compuesto químico concreto, se van a abrir las puertas moleculares que darán paso al proceso de liberación del medicamento".


Hasta aquí el trabajo describe un sistema de liberación controlada convencional, que ya se desarrolla en muchos grupos de investigación del mundo. Lo que añade esta nueva investigación es que la partícula Janus tiene otra cara, en este caso de oro, "que es un material inerte y que se utiliza comúnmente en medicina, tanto para marcaje tumoral como en algunas terapias que se están ensayando en la actualidad". Esa cara de oro está unida a la mesoporosa, formando la nanomáquina, y en ella se pueden ensamblar los sistemas de reconocimiento y de acción.


Es decir, en la cara de oro se ensamblan las moléculas que son capaces de reconocer cuál es el lugar en el que se quiere ejercer la acción, "como por ejemplo donde está el tumor". Además también funciona como sistema de reconocimiento secundario y gracias a enzimas, o combinaciones de enzimas, también sirve para procesar la señal. Esto permitirá que cuando la partícula esté en contacto con un medio determinado, donde reconoce que hay determinados compuestos, los transforme a otros compuestos que son los que se van a encargar de abrir las puertas moleculares.


Reynaldo Villalonga asegura que en robótica existe un principio básico que es la inteligencia cooperativa, "porque no siempre se pueden realizar todas las acciones con una única máquina, ya que a veces eso no es efectivo". Añade que la capacidad de que las máquinas autónomas se comuniquen entre sí para realizar una acción es algo verdaderamente difícil "ya en el macromundo y mucho más en el micromundo, porque todavía no existen las nanomáquinas que funcionen de manera controlada".


O no existían hasta la publicación de este trabajo en el que se ha diseñado un sistema en el que cada nanopartícula, que lleva encapsulado un compuesto diferente, está controlada por un sistema enzimático distinto, así que cada una va a reconocer, como señal de entrada, una señal diferente. Los investigadores han conseguido establecer una comunicación entre esas nanopartículas "de tal manera que en una primera, cuando se da una señal de input, la partícula reconoce un compuesto, lo transforma en otro que es reconocido por la segunda nanopartícula y esa crea la liberación al medio de lo que tiene encapsulado, y eso es lo que abre la cápsula de la primera partícula".


Es decir, que entre partículas que no están en contacto físico, sino que están en solución química, se da la señal de entrada en la primera partícula, esa señal se transmite a la segunda que da una señal de respuesta para que la primera se abra, estableciendo así un círculo, consiguiendo que las partículas se comuniquen transmitiendo señales entre ellas.


El reto, de acuerdo con los investigadores de la UCM, es "investigar en partículas que trabajen en línea recta, en círculos más amplios, o que la acción combinada de dos o más partículas tenga una única acción, y que no sea sólo la liberación, sino que por ejemplo dé paso a la preparación de un compuesto in situ mediante la acción controlada de diferentes partículas. Por ejemplo, que esa combinación prepare in situ el fármaco que haga falta, ya sea activándolo o sintetizándolo".


Una gran parte de la tendencia actual en el desarrollo de nanomáquinas es lograr que se la partícula se mueva. En la Complutense también se trabaja en ese sentido, pero como esta aplicación concreta está pensada para la entrega controlada de medicamentos, "el movimiento se hará dentro de la sangre, donde el corazón ejerce una presión tremenda y la sangre ya tiene un movimiento, así que consideramos que en este caso no tiene mucho sentido, porque hay que ir en dirección del flujo sanguíneo y además ya hay mecanismos dentro del organismo para facilitar la distribución específica de las nanomáquinas al sitio donde uno quiere llegar".

 


Las nanomáquinas se dirigirían a las zonas donde es posible que se desarrolle un tumor y se quedarían allí latentes hasta que haya un cambio metabólico que indique que ha comenzado la actividad tumoral, momento en el que empezarían a liberar fármacos


 

Aclara Villalonga que los organismos generan, continuamente, células cancerígenas, porque existen mutaciones y eso es lo que son las células cancerígenas". Explica que "de hecho, en este momento, todos estamos generando células cancerígenas que son reconocidas por nuestro sistema inmune y enseguida las combaten y las destrozan". La idea de estas máquinas es tener una nanopartícula que cuente, por ejemplo, con un sensor que detecte donde está la célula que puede ser un tumor. Las nanomáquinas van al lugar donde está esa célula, a un tejido que todavía no es malo, pero que puede llegar a serlo, y allí se quedan, esperando con sus medicamentos adentro. Cuando la célula se convierte en una célula maligna, cambia su metabolismo porque empieza a consumir a otra velocidad y empieza a producir determinados compuestos a mayor escala en su proceso de crecimiento. Entonces el sistema enzimático del nanorobot debería reconocer ese cambio, abrir las puertas moleculares, liberar el fármaco y luchar contra ese tumor que está todavía pequeño, en sus primeros estados de desarrollo maligno. Es decir, que es un "trabajo teragnóstico, porque es capaz de detectar y combatir".


En este caso no ha hecho falta realizar pruebas clínicas, que se desarrollan en la UPV porque este es un trabajo de inteligencia artificial a nivel de nanopartículas con otras muchas posibles salidas, más allá de las médicas, en las que haga falta un sistema de máquinas que se comunican unas con otras". La visión más utópica es la de crear un sistema nervioso o un sistema de cómputo, aclara el doctor Alfredo Sánchez, otro de los firmantes complutenses del artículo, junto a Paula Díez, Reynaldo Villalonga y Paloma Martínez Ruiz.

El grupo de Nanosensores y Nanomáquinas de la UCM, liderado por el profesor Reynaldo Villalonga (en el centro), es el responsable de esta investigación sobre nanomáquinas que se comunican entre ellasImágenes de las nanopartículas Janus, realizadas en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica, y gráficas PXRD que muestran la composición de los materiales, tal y como ha sido publicado en la revista Nature CommunicationsAlfredo Sánchez, Paloma Martínez Ruiz y Reynaldo Villalonga, tres de los complutenses firmantes del artículo que se acaba de publicar en Nature CommunicationsRepresentación del proceso de comunicación interactiva entre dos nanopartículas tipo Janus, publicada en el artículo de Nature Communications
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