¿Podemos saber con detalle qué están haciendo las células?


Enviado por: Alberto Castellano

La respuesta a esta pregunta parece clara, sí, tomemos un microscopio y miremos. Pero es que esto no basta, no es una fuente información completa. Entonces, ¿es qué podemos medir más cosas?, ¿qué tipo de señales?.

Hace poco más de cien años biólogos y profesionales dedicados al ámbito de la medicina se encontraban buscando una explicación ante la morfología y funcionamiento del cerebro. Ramón y Cajal y Camillo Golgi recibieron en 1906 el premio Nobel de Medicina, “en reconocimiento de su trabajo sobre la estructura del sistema nervioso”. En aquella época se aceptó la hipótesis de que el tejido nervioso se constituía de pequeñas células denominadas neuronas con una fisiología definida, inferida por las técnicas de microscopía y tinción de la época. Pero aún quedaba mucho camino por recorrer. La pregunta esencial era qué tipo de proceso provocaba la transmisión del impulso nervioso, y cuál era el origen de este.  Pero no fue hasta pasado más de medio siglo cuando se pudo comenzar a medir las señales involucradas en la activación de las células. Este avance le valió a Erwin Neher y Bert Sakman  el premio Nobel de Medicina en 1991 por el desarrollo de la técnica del patch clamp y “por sus descubrimientos sobre la función de los canales iónicos en las células“.  Sin embargo, todavía quedaban cuestiones por responder y debido a su curiosidad y al avance en la ciencia de materiales, y más concretamente en la nanotecnología (con el desarrollo de nuevos materiales semiconductores con estructuras y morfologías particulares a nivel mesoscópico e incluso nanométrico), se ha conseguido medir con mayor precisión las señales de los procesos electroquímicos que gobiernan las comunicaciones celulares.  La implementación de estas meso- y nanoestructuras permiten no solo conocer cómo se comunican las células sino medir incluso las fuerzas que son capaces de generar en sus contracciones o incluso las deformaciones que experimentan. Del mismo modo se puede controlar las excitaciones de las células individualmente mediante procedimientos y dispositivos similares.  Además, la aplicabilidad de estas nuevas técnicas es expandibles incluso a pequeñas muestras de tejido celular.  En este post vamos a presentar algún ejemplo de este tipo de nanodispositivos basados en semiconductores.


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Nanodispositivo con capacidad de aprender, memorizar e incluso olvidar


Enviado por: Mario Jerez Lucena

Un grupo de investigadores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, de la Universidad de Sidney y de la Universidad de California (UCLA) han presentado un dispositivo experimental basado en una red interconectada con características similares a algunos comportamientos del cerebro, tales como el aprendizaje, la capacidad de memorización o del olvido.

El dispositivo está constituido por una red de nanohilos de plata, cuyo diámetro promedio es de tan solo 360 nanómetros. Dichos nanohilos se encuentran recubiertos con un polímero aislante de aproximadamente 1 nanómetro de espesor. El resultando de este dispositivo formado por la mencionada red tiene un tamaño final de tan solo 10 mm2.

Los nanohilos se encuentran unidos aleatoriamente en una matriz de óxido de silicio, formando una estructura interconectada muy similar a las encontradas en el neocórtex cerebral, la parte del cerebro responsable de funciones superiores como el lenguaje, la percepción o el pensamiento consciente.

Dispositivo conformado por una red de nanohilos capaz de asemejar el funcionamiento del cerebro.

Según el estudio, el paso de una corriente eléctrica por el dispositivo provoca que los átomos de plata sufran un proceso de electromigración desde el interior del recubrimiento polimérico y conformen interconexiones superponiéndose entre ellos, dando lugar a una unión muy similar a la sinapsis neuronal del sistema nervioso. La red de nanohilos presenta aproximadamente 10 millones de estas uniones, de modo que, al conectar dos electrodos para estudiar su funcionamiento se observa que, después de fluir la corriente a través de la red, las conexiones entre nanohilos permanecen durante un minuto en algunos casos, algo que se podría asemejar al proceso de aprendizaje y memorización del cerebro. En otros casos, las conexiones se cortan repentinamente al retirar la corriente eléctrica, imitando el acto del olvido.

 Este descubrimiento sin duda será muy útil para la búsqueda de nuevos tipos de “hardware” capaces de procesar conjuntos de datos grandes y complejos, mejorando la capacidad de trabajo de las computadoras actuales, logrando manejar tareas de forma más cercana al modo en que lo hace el cerebro humano.

(a) Imagen HR-TEM que muestra los planos atómicos de un nanohilo de Ag con la capa de PVP nanométrica depositada en la superficie. La barra de escala para las figura es de 2 nm. (b) Esquema del sistema de medición. Dos sondas de tungsteno, separadas por una distancia d = 500 μm, actúan como electrodos, contactando la red de nanhilos depositada en óxido de Silicio.


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Electrolitos sólidos (SSE) para la mejora de las prestaciones de las Baterías de Litio


Las baterías de iones de litio se encuentran en todo, desde teléfonos celulares y ordenadores, hasta automóviles. Sin embargo, los incidentes recientes relacionados con incendios o explosiones de estos dispositivos muestran la necesidad de baterías cada vez más seguras. Las baterías tradicionales de iones de litio consisten en un cátodo y un ánodo, separados por un electrolito líquido y una delgada pieza de plástico poroso. Si la batería se daña, por ejemplo, por sobrecarga o por rotura del separador de plástico por deformación, el electrolito puede incendiarse.

Un grupo de investigación de la Universidad de Purdue (West Lafayette, Indiana) dirigido por Ernesto E. Marinero, profesor de ingeniería de materiales e ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería han patentado un nuevo modelo de separadores que pueden reducir el riesgo de estas baterías.

El profesor E. Marinero se planteó la necesidad de encontrar soluciones que abordaran este problema de la inflamabilidad, junto con la necesidad de una gran plasticidad en el material dentro de la batería que conecta los electrodos del ánodo y el cátodo.

Para ello, han diseñado un novedoso sistema compuesto de material de electrolitos de estado sólido que comprende nanopartículas cerámicas incrustadas en matrices de poliméricas.

Marinero ha indicado que: “Estos materiales compuestos potencialmente permitirían el uso de ánodos de metal de litio puro y así poder incrementar, en un factor de cinco aproximadamente, la densidad de capacidad volumétrica de las baterías existentes”.

Andrés Villa, coautor de este trabajo junto con Marinero, ha indicado que sólo es necesario menos del 10% en peso de nanopartículas cerámicas en un electrolito compuesto de polímero para superar la conductividad iónica de las películas delgadas del material cerámico, reduciendo así significativamente los costos de producción.


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INTERRUPTORES MOLECULARES PARA CONTINUAR CUMPLIENDO LA LEY DE MOORE


Hugo Gómez Torres

La Ley de Moore dice que cada dos años aproximadamente el número de transistores en un microprocesador se dobla porque la tecnología es capaz de ir disminuyendo su tamaño. En la actualidad los tamaños alcanzados se encuentran dentro de la escala nanométrica. Esa ley se formuló en 1965 por Gordón Moore y se ha venido cumpliendo hasta hoy en día y poco a poco está alcanzando sus límites porque los dispositivos que se utilizan habitualmente ya tienen tamaños tremendamente pequeños (menores de 20 nm). El dispositivo utilizado para crear los microprocesadores es el transistor de efecto campo. La ley de Moore se basa en que cuantos más transistores podamos insertar en la misma superficie, más potente será nuestro procesador. Actualmente se están alcanzando unos tamaños en los que la mecánica cuántica juega un papel importante y para que los transistores a escalas reducidas funcionen como tales hay que cambiar de paradigma. Por ello, se buscan alternativas a la electrónica actual basada en los semiconductores.

Una de las soluciones que se proponen es usar moléculas conductoras, que son las precursoras de los polímeros conductores. Estos polímeros no son como los convencionales (que son aislantes), y pueden exhibir alta conductividad eléctrica debido a sus orbitales moleculares. Dentro de los posibles polímeros conductores nos pueden interesar una subclase de materiales como son los formados por moléculas fotocrómicas, que cambian su estructura cuando son irradiadas con luz ultravioleta. Estas moléculas hacen de interruptor de nuestro transistor. En la imagen que acompaña a este texto,  se puede ver que cuando se incide con luz visible los enlaces del polímero se rompen y no hay corriente, mientras que cuando se incide con UV se forman enlaces en el polímero que hace que haya corriente. Este es el funcionamiento básico del interruptor molecular.

Una de las novedades que tiene esta tecnología es el uso de técnicas bottom-up para la creación de las nanoestructuras. Desde que se comenzaron a usar los microprocesadores estos se han sintetizado mediante técnicas top-down, como la fotolitografía lo que es, en parte, una de las limitaciones para poder hacer los transistores aún más pequeños. Estas técnicas parten del material en forma macroscópica y luego se forman los patrones nanoestructurados retirando parte del material de forma selectiva. Mediante las técnicas bottom-up se parten de los elementos en estado más fundamental (átomos y moléculas) para luego unirlos y crear los patrones deseados.

Las limitaciones de esta tecnología son que se basa en el uso de moléculas orgánicas. Estas moléculas en ocasiones no son estables y esto es algo incompatible con la electrónica. Se deberían conseguir unas moléculas estables químicamente para tener estados bien definidos en el transistor orgánico. Así que no todo está hecho y aún hay mucho por investigar!.

Para saber más: Wang L, Li Q. Photochromism into nanosystems: towards lighting up the future nanoworld. Chemical society reviews 47, 1044-1097 (2018)

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