Científicos de la Universidad de Columbia han usado la maquinaria molecular de sistemas vivos para alimentar un circuito integrado de trifosfato de adenosina, la moneda de la energía de la vida.
Lo consiguieron uniendo un circuito integrado hecho de un semiconductor convencional de estado sólido complementario (CMOS) con una membrana bicapa lipídica artificial que contiene bombas de iones impulsadas por trifosfato de adenosina (ATP). Este logro abre la puerta a la creación de sistemas artificiales completamente nuevos que contienen componentes tanto biológicos como en estado sólido.
El estudio, dirigido por Ken Shepard, profesor de Ingeniería Eléctrica y de Ingeniería Biomédica en la Universidad de Columbia, se publicó en línea este 7 de diciembre en Nature Communications.
"En la combinación de un dispositivo electrónico biológico con CMOS, seremos capaces de crear nuevos sistemas que no son posibles mediante una tecnología por sí sola", dice Shepard. "Estamos muy entusiasmados ante la perspectiva de la ampliación de la gama de dispositivos activos que tendrán nuevas funciones, como la recolección de energia por ATP, o el reconocimiento de moléculas específicas, dando a los circuitos integrados la posibilidad de degustar y oler. Esto tiene un gran potencial para dar a los sistemas de estado sólido nuevas capacidades con componentes biológicos".
Shepard, cuyo laboratorio es un líder en el desarrollo de sistemas de estado sólido de ingeniería interconectados con sistemas biológicos, señala que a pesar de su éxito abrumador, la electrónica de estado sólido CMOS es incapaz por sí sola 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 la electrónica basados en membranas lipídicas y canales iónicos y bombas, que actúan como una especie de "transistor biológico". Usan la carga en la forma en que los iones llevan los canales de energía y la información: los canales de iones controlan el flujo de iones a través de membranas celulares. Sistemas de estado sólido, como los de las computadoras y los dispositivos de comunicación, usan los electrones; su señalización electrónica y la energía son controlados por los transistores.
En los sistemas vivos, la energía se almacena a través de membranas de lípidos, en este caso creadas a través de la acción de bombas de iones. Los ATP se utilizan para transportar la energía desde donde se genera hasta donde se consume en la célula. Para construir un prototipo de su sistema híbrido, el equipo de Shepard, dirigido por el estudiante de doctorado Jared Roseman, envasó un circuito integrado CMOS con un 'biocell' recolector 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 macroescala de este sistema, en la escala de varios milímetros, para ver si funcionaba," señala Shepard. "Nuestros resultados proporcionan una nueva visión de un modelo generalizado de circuito, lo que nos permite determinar las condiciones para maximizar 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 ampliar el sistema."
Aunque otros grupos han recogido energía de los sistemas vivos, Shepard y su equipo están explorando cómo hacer esto a nivel molecular, aislando simplemente la función deseada y buscando la interconexión con la electrónica.
La capacidad de construir un sistema que combina el poder de la electrónica de estado sólido con la capacidad de los componentes biológicos tiene una gran porvenir. "Si se necesita un perro detector de bombas, puede tomarse sólo la parte del perro que es útil --las moléculas que le dan el sentido del olfato-- y así no se necesitaría todo el animal", dice Shepard.
"Con la escala adecuada, esta tecnología podría proporcionar una fuente de energía para los sistemas implantados en entornos ricos en ATP, como el interior de las células vivas", añadió Roseman.
