Los organismos vivos monitorizan el tiempo y reaccionan a él de múltiples maneras: desde detectar luz y sonido en microsegundos hasta responder fisiológicamente de maneras preprogramadas, como, por ejemplo, a través de su ciclo de sueño diario, su ciclo menstrual o los cambios de estaciones. Esto es posible gracias a interruptores moleculares o nanomáquinas que actúan como temporizadores moleculares precisos, programados para encenderse y apagarse como respuesta al entorno y al tiempo.
Es por ello que, en una reciente investigación, científicos de la Universidad de Montreal (UdeM) han recreado y validado con éxito dos mecanismos distintos que pueden programar las tasas de activación y desactivación de nanomáquinas en organismos vivos en múltiples escalas temporales. Se trata de un avance que sugiere cómo los ingenieros pueden aprovechar los procesos naturales para mejorar la nanomedicina -como veremos más adelante- y otras tecnologías, así como para ayudar a explicar cómo ha evolucionado la vida.
Para explorar el funcionamiento de estos dos mecanismos, los investigadores recrearon una “puerta” molecular -analogía utilizada por Alexis Vallée-Bélisle, profesor de química en la UdeM y autor principal del estudio, para explicar la estructura activa o inactiva del interruptor de la nanomáquina- utilizando ADN. Y es que, aunque el ADNes sobre todo conocido por su capacidad para codificar el código genético de organismos vivos, hay bioingenieros que también han comenzado a utilizar su química simple para fabricar objetos a nanoescala.
"En comparación con las proteínas, el ADN es una molécula altamente programable y versátil"
"En comparación con las proteínas, el ADN es una molécula altamente programable y versátil. Es como los bloques químicos de Lego que nos permiten construir cualquier cosa que tengamos en mente a nanoescala”, apunta Dominic Lazon, coautor del estudio. Así, utilizando ADN, los científicos de la universidad canadiense crearon una puerta de cinco nanómetros de ancho que se puede activar mediante dos mecanismos distintos y con la misma molécula activadora. Esto les permitió comparar los dos mecanismos directamente sobre la misma base, probando su capacidad de programación.
Finalmente, descubrieron que lo que sería el ‘interruptor con picaporte’ (ajuste inducido) se activa y desactiva mil veces más rápido porque la molécula activadora proporciona la energía necesaria para acelerar la apertura de la puerta. En cambio, el interruptor sin picaporte (selección conformacional) puede programarse para abrirse a velocidades mucho más lentas con el simple aumento de la fuerza de las interacciones que mantienen la puerta cerrada.
“Hemos descubierto que, de hecho, podemos programar la activación de los ritmos de los interruptores de horas a segundos simplemente diseñando asas moleculares. También pensamos que esta capacidad de programar el ritmo de activación de interruptores y nanomáquinas podría encontrar muchas aplicaciones en nanotecnología, donde es necesario programar acontecimientos químicos en momentos concretos”, afirma Carl Prévost-Tremblay, estudiante de posgrado en bioquímica y otro de los autores del estudio.
EFICACIA DEMOSTRADA
Pero vamos a lo que nos atañe: dentro de los ámbitos que se beneficiarían por el desarrollo de nanosistemas que se activan y desactivan a ritmos diferentes, uno de los que más lo podría hacer es el de la nanomedicina, entre cuyos objetivos figura desarrollar sistemas de administración de fármacos con ritmos de liberación programables. Esto ayudaría a minimizar la frecuencia con la que un paciente toma un fármaco y a mantener la concentración adecuada del medicamento en el organismo durante la duración de un tratamiento.
"Los investigadores probaron la eficacia de un administrador de fármacos antipalúdicos que puede liberar el medicamento sea cual sea la velocidad a la que esté programado"
De hecho, para demostrar la alta programabilidad que tienen ambos mecanismos, los investigadores diseñador y probaron la eficacia de un administrador de fármacos antipalúdicos -para prevenir o curar la malaria- que puede liberar el medicamento sea cual sea la velocidad a la que esté programado. Lo único que tuvieron que hacer es añadirle una molécula activadora.
Los resultados obtenidos, añaden los investigadores, también “desmitifican” las ventajas evolutivas de los dos mecanismos, y explican por qué algunas proteínas han evolucionado para activarse mediante un mecanismo en lugar del otro. “Por ejemplo, los receptores celulares que requieren una activación rápida para detectar la luz o percibir olores probablemente se benefician de un mecanismo rápido de ajuste inducido”, indica el citado Vallée-Bélisle. “Mientras que los procesos que duran semanas, como la inhibición de proteasas, se benefician definitivamente del mecanismo más lento de selección conformacional”, sentencia.