Nanotecnología (y 7): tectónica cristalina

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Hemos reservado, para este último post de la serie, los cocolitos, que son magníficas filigranas calcáreas elaboradas por algas marinas unicelulares. El proceso constructivo de estas delicadas estructuras puede proporcionar ideas muy interesantes para fabricar pequeños componentes a partir de nanomateriales. Para ilustrar este concepto se resumen algunos aspectos de la construcción de la cocoesfera producida por el alga marina unicelular Emiliania huxleyi.

Figura 1. La cocoesfera que produce el alga marina unicelular Emiliania huxleyi es una filigrana esférica de calcita, formada por placas ovales llamadas cocolitos. Cada uno de estos está compuesto por 30 o 40 nanocristales de calcita. La síntesis de la cocoesfera es un impresionante ejemplo de autoensamblaje. (La foto de la cocoesfera es una cortesía de la Dra. Lluisa Cros Miguel).

La cocoesfera que elabora el alga E. huxleyi es una filigrana esférica de calcita y está formada por placas ovales llamadas cocolitos (Fig. 1). El tamaño de los cocolitos es de unas 3 micras y cada uno está compuesto por 30 o 40 nanocristales de calcita. Esta compleja estructura se forma por autoensamblaje de pequeñas unidades, lo que implica una secuencia de procesos coordinada e integrada. Inicialmente se forma un anillo de placas romboédricas de calcita, como si fuera un collar, y posteriormente los cristales crecen hacia el centro y hacia el exterior. Cada elemento del cocolito —a pesar de su forma complicada— es un monocristal de calcita (para más detalles véase Didymus J.M., Young J.R., Mann S. (1994) Construction and morphogenesis of the chiral ultraestructure of coccoliths from the marine alga Emiliania huxleyi. Proc. R. Soc. Lond. B 258, 237-245). Después, los cocolitos viajan hasta la superficie de la célula y se ensamblan para formar la cocoesfera.

La síntesis de una cocoesfera es un proceso complejo de fabricación de materiales que se realiza a distintos niveles; desde unos pocos nanómetros hasta miles de nanómetros. Las células de las algas no se han especializado en la biomineralización  —a diferencia  de  los  osteoblastos, por ejemplo— sin embargo poseen la maquinaria para estos procesos complejos. Por este motivo, este ejemplo puede proporcionar pistas que ayuden a entender —y quizás a copiar— las sofisticadas técnicas de autoensamblaje que usa la naturaleza.

S. Mann ha acuñado el término tectónica cristalina para imitar los complejos procesos de biomineralización. La palabra tectónica proviene del griego y está relacionada con el arte de construir. La tectónica cristalina se puede definir como la ciencia de la construcción de estructuras supramoleculares a partir de nanopartículas inorgánicas. Las fuerzas que dirigen y ordenan el autoensamblaje provienen de las interacciones complementarias entre grupos químicos en las superficies de las nanopartículas (Mann S., Ozin G.A. (1996) Synthesis of inorganic materials with complex form. Nature 382, 313-318). Veamos algunos ejemplos.

Un proceso simple de autoensamblaje es el ensamblaje interactivo (ver figura 2a). La fuerza que dirige el ensamblaje es la que tiende a formar una bicapa entre las moléculas orgánicas adsorbidas sobre las nanopartículas. Por este procedimiento se pueden construir delgados filamentos cristalinos de nanopartículas de BaSO4, o de BaCrO4, cuando  se  recubren  con   moléculas  surfactantes apropiadas, en este ejemplo con AOT ( bis-(2-hexil etil) sulfosuccinato).

Figura 2. Ejemplo de autoensamblaje.
a.- Ensamblaje interactivo. La fuerza que dirige el ensamblaje es la que tiende a formar una bicapa entre las moléculas orgánicas adsorbidas sobre las nanopartículas. En la fotografía (Mann et al. 2000) se pueden ver cadenas de nanopartículas de cromato de bario autoensambladas interactivamente.
b.- Ensamblaje programado, basado en la especifidad del reconocimiento e interacción entre el antígeno y el anticuerpo. En la fotografía (Mirkin et al. 1996) se observan conjuntos de nanopartículas de oro autoensambladas por este procedimiento. Los anticuerpos, adsorbidos a las partículas de oro, se han dibujado esquemáticamente. El antígeno con dos grupos funcionales se ha representado por dos rectángulos rojos y se ha incluido su fórmula química.

Otra forma, más sofisticada, es el ensamblaje programado. Se basa en la especificidad del reconocimiento e interacción entre el antígeno y el anticuerpo. En la actualidad, ya es posible producir proteínas con regiones específicas para que se enlacen con determinadas moléculas. Por ejemplo, si se elige como antígeno una molécula que contenga el grupo dinitrofenilo (DNP) y se fabrican anticuerpos basados en la inmunoglobulina E (IgE), el anticuerpo resultante —llamado anti-DNP IgE— será una proteína que tendrá regiones  que  reconocerán  y se asociarán con moléculas de DNP. Esta estrategia se ha utilizado en tectónica cristalina para construir estructuras a partir de nanopartículas de oro (ver figura 2b). El primer paso consiste en adsorber los anticuerpos —anti-DNP IgE— a las nanopartículas de oro, después diseñar el antígeno con dos grupos funcionales de DNP y, finalmente, dejar que reaccionen para que se agreguen las partículas.

Esta estrategia —la especificidad de la reacción antígeno anticuerpo— también se puede utilizar con las hebras de DNA y sus complementarias. Mirkin y Alivisatos, entre otros, (Mirkin C.A. et al. (1996) A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials. Nature 382, 607-609, Alivisatos A.P. et al. (1996) Organization of nanocrystal molecules using DNA. Nature 382, 609-611) han conseguido agregados de partículas de oro, de 13 nm, recubriéndolas con hebras de DNA en las que se añade en un extremo un grupo tiol, que se une al oro. Para conseguir que las nanopartículas se agrupen hay que incorporar a la solución moléculas formadas por dos cadenas de DNA complementarias a las anteriores. Con este procedimiento se pueden fabricar materiales con las propiedades ópticas y electrónicas deseadas. Es más, estas técnicas se pueden utilizar para analizar o extraer, de forma selectiva, nanopartículas dentro de poblaciones heterogéneas siempre que las nanopartículas estén codificadas con su hebra de DNA.

La tectónica cristalina no permite, todavía, fabricar estructuras tan sofisticadas como los cocolitos, pero ya se consiguen cadenas como las que poseen las bacterias magnéticas. En el futuro, cuando en vez de partir de partículas esféricas se parta de cristales y se sepa controlar el tipo de molécula que ha de adsorberse en cada cara del cristal, se podrán fabricar por autoensamblaje nano y microestructuras complejas.

EPILOGO

Igual que hace 700 años, también hoy hay una cierta desconfianza sobre las fabulosas narraciones de los exploradores que se han aventurado en el nuevo mundo de la nanociencia. También se nota cierto escepticismo cuando se plantean inversiones en nanotécnica, algo parecido a las dudas que debieron tener los armadores venecianos antes de equipar una nave en busca de fortuna rumbo al Lejano Oriente.

Es posible —muy probable— que surjan nuevos Cristóbal Colón que hagan insospechados descubrimientos motivados por la sugerente información proporcionada por los exploradores que regresan de sus viajes en la punta de un alfiler. Colón tenía una edición latina de 1485 del Libro de las Maravillas con numerosas apostillas.

La experiencia nos enseña que la realidad suele ser más rica que la fantasía y es posible —casi seguro— que el futuro de la nanotécnica, con sus nanomateriales, sea más interesante que el que nos narran los exploradores del siglo XXI. Un coetáneo de Marco Polo escribió que éste había defendido su texto incluso en el lecho de muerte. A los amigos que le exhortaron a retractarse antes de ir a reunirse con Dios, les respondió categóricamente “No he descrito ni la mitad de lo que vi”.

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