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Nanocables que se comportan como células
Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han sellado transistores de nanocables de silicio en una membrana similar a las que rodean las células biológicas. Estos dispositivos híbridos, que funcionan de manera similar a las células nerviosas, podrían usarse para crear mejores interfaces para prótesis e implantes cocleares. También podrían funcionar bien como biosensores para diagnósticos médicos.
Nanoalambre híbrido: El nanoalambre de silicio que se muestra en la imagen del microscopio (arriba) está cubierto por una membrana grasa similar a las que rodean las células biológicas. La imagen inferior es una ilustración que muestra las dos capas de moléculas de lípidos que rodean el nanoalambre, aislándolo del entorno circundante. Los iones pueden atravesar la membrana a través de un canal de iones, que se muestra aquí en lavanda.
La comunicación biológica es sofisticada y sigue siendo incomparable en la electrónica actual, que se basa en campos eléctricos y corrientes. Las células del cuerpo humano utilizan muchos medios de comunicación adicionales que incluyen hormonas, neurotransmisores e iones como el calcio. El nexo de la comunicación biológica es la membrana celular, una doble capa de moléculas grasas repletas de proteínas que actúan como guardianes y realizan los primeros pasos en el procesamiento de señales biológicas.
Aleksandr Noy , un químico del laboratorio nacional, le dio a los nanocables de silicio una membrana celular con la esperanza de mejorar la bioelectrónica. Si puede hacer que la microelectrónica moderna se comunique con los organismos vivos, puede hacer prótesis más eficientes o nuevos tipos de biosensores para diagnósticos médicos, dice Noy. Por ejemplo, si los electrodos que conectan un dispositivo protésico con el sistema nervioso pudieran leer señales químicas en lugar de solo eléctricas, la persona que lo usa podría tener un mejor control sobre la prótesis.
Noy comenzó haciendo arreglos de transistores de nanocables de silicio (filas de cables de 30 nanómetros de diámetro unidos en cada extremo por contactos eléctricos) utilizando métodos desarrollados por otros investigadores. Las matrices se colocaron en un dispositivo de microfluidos. El grupo de Noy utilizó los microfluidos para liberar esferas huecas de moléculas de membranas grasas. Las esferas son atraídas por las superficies cargadas negativamente de los nanocables, donde se acumulan y fusionan para formar una membrana continua que sella por completo cada nanoalambre tal como una membrana biológica sella el contenido de una célula. Los transistores de nanocables desnudos exhiben un cambio mensurable en sus propiedades eléctricas cuando se exponen a soluciones ácidas o básicas; los nanocables protegidos por membrana no lo hacen, porque la capa de grasa sella la solución áspera, al igual que una membrana celular biológica.
Para dar a los nanocables revestidos puertas eléctricas, esencialmente, un medio para hacerlos sensibles al entorno químico circundante, Noy agregó proteínas para formar canales iónicos, que controlan el flujo de átomos cargados y moléculas a través de las membranas celulares. Cuando se disuelven con los nanocables, estas proteínas se insertan en la membrana. El grupo de Noy probó los dispositivos con dos tipos de canales iónicos: uno que siempre permite el paso de iones pequeños cargados positivamente y otro que lo hace solo en respuesta a un cambio de voltaje que puede producir el nanoalambre. Esta proteína sensible al voltaje se usa a menudo para imitar las señales eléctricas de las células nerviosas. Los nanocables con canales iónicos pudieron detectar la presencia de iones en la solución. Al usar el nanoalambre para crear una diferencia de voltaje a través de la membrana, la proteína sensible al voltaje se puede abrir y cerrar, lo que permite efectivamente que el nanoalambre active o desactive su capacidad de detección de sustancias químicas. La neurona es un buen análogo de alguna manera, dice Noy sobre estos dispositivos.
El trabajo de Noy, descrito esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , abre nuevas vías porque hace que los nanocables se parezcan más a células, dice Yi Cui , profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford. Con Charles Querido , químico de la Universidad de Harvard, Cui ha convertido los nanocables de silicio en sensores muy sensibles al recubrir los nanocables con anticuerpos. Los sensores podrían, por ejemplo, detectar proteínas sanguíneas características del cáncer. El trabajo de Noy, dice Cui, es una forma realmente creativa de integrar un transistor con una membrana celular. Al recubrir los nanocables, Noy puede aprovechar todo lo que las membranas celulares biológicas tienen para ofrecer, incluida la capacidad de detectar y responder a cambios de voltaje, así como a iones, proteínas y otras biomoléculas. Este rango de funcionalidad no se puede lograr con anticuerpos, dice Cui.
A continuación, Noy planea desarrollar dispositivos híbridos de nanocables más sofisticados. Hasta ahora, cada dispositivo ha sido equipado con un solo tipo de canal iónico, lo que limita la complejidad de las funciones que pueden realizar. (Las células biológicas están recubiertas con muchas proteínas de membrana diferentes).
Los investigadores también comenzarán a probar las interacciones de los dispositivos con células vivas. Otros investigadores, incluidos Peidong Yang en la Universidad de California, Berkeley, y Lieber de Harvard, han utilizado nanocables de silicio desnudos para interactuar con neuronas, células madre, células cardíacas y otros tejidos. Han demostrado que los nanocables pueden enviar y recibir señales eléctricas con una resolución espacial muy alta, incluso dentro de celdas individuales. El trabajo inicial de Noy sigue siendo una prueba de concepto.