Nanoestructuras ocultas en células y tejidos

Dentro de una célula viva, las proteínas y otras moléculas suelen estar muy juntas. Estos cúmulos densos son difíciles de visualizar. La obtención de imágenes de una proteína específica u otra molécula dentro de una célula requiere de una etiqueta fluorescente que lleva un anticuerpo para unirla al objetivo. Los anticuerpos miden alrededor de 10 nanómetros de largo, mientras las proteínas celulares típicas suelen tener entre 2 y 5 nanómetros de diámetro, por lo que si las proteínas objetivo están demasiado empaquetadas los anticuerpos no pueden llegar a ellas. Investigadores del MIT en el artículo: Revealing nanostructures in brain tissue via protein decrowding by iterative expansion microscopy, publicado en la revista Nature Biomedical Engineering (2022) explican una nueva forma de superar la limitación y hacer visibles esas moléculas "invisibles" modificando la denominada microscopía de expansión. La técnica les permite "desagrupar" las moléculas expandiendo una muestra de tejido o células antes de etiquetarlas, de este modo quedan más accesibles a las etiquetas fluorescentes.

Nanoestructura beta-amiloide y helicoidal beta-amiloide. Crédito imagen: Zhuyu Peng y Jinyoung Kang

La microscopía de expansión, la desarrolló Boyden (coautor del artículo) en el año 2015. En su versión original se adhirieron etiquetas fluorescentes a las moléculas de interés antes de expandir el tejido. El etiquetado se realizó primero, porque los investigadores necesitaron usar una enzima para cortar las proteínas de la muestra y lograr la expansión del tejido. Esto significaba que las proteínas no podían etiquetarse después de expandir el tejido. Para superar ese obstáculo los investigadores tuvieron que encontrar una manera de expandir el tejido dejando las proteínas intactas. Usaron calor en lugar de enzimas para ablandar el tejido y lograr una expansión 20 veces mayor permitiendo luego el etiquetado fluorescente. Con tantas más proteínas accesibles para ser etiquetadas pudieron identificar pequeñas estructuras celulares dentro de las sinapsis, conexiones entre las neuronas repletas de proteínas. Etiquetaron y obtuvieron imágenes de siete proteínas sinápticas diferentes, visualizando en detalle "nanocolumnas" que consisten en canales de calcio alineados con otras proteínas sinápticas. También utilizaron su nueva técnica para obtener imágenes del péptido beta amiloide responsable de la formación de placas en los cerebros de los pacientes con Alzheimer. Llegaron a observar que las moléculas de beta amiloide formaban estructuras helicoidales a lo largo de los axones...

La variante utilizada denominada “revelación de expansión” permite la visualización de nanoestructuras, que antes permanecían ocultas, utilizando hardware fácilmente disponible en los laboratorios académicos. Con el etiquetando clásico se estaban perdiendo categorías enteras de fenómenos, ahora se cuenta con una tecnología para realizar nuevos y trascendentes descubrimientos biológicos.

Información Complementaria:

Revealing nanostructures in brain tissue via protein decrowding by iterative expansion microscopy

Teléfonos celulares detectan virus con nano linternas

Los teléfonos celulares podrán convertirse en sensores capaces de detectar virus y otros objetos minúsculos mediante  una poderosa linterna-chip fabricada a nanoescala. Todos los materiales interactúan con la luz de manera diferente, un análisis de la radiación resultante  proporciona una especie de "huella digital",  máxime si se hacen incidir  varias longitudes de onda de forma de lograrse una imagen detallada y específica. En dos artículos recientes Nature Scientific Reports, un equipo de investigación del MIT describe su enfoque para diseñar linternas en chip con una variedad de características de haz de radiación e informan sobre la construcción y prueba exitosa de un prototipo.

Esquema de tres nano linternas diferentes. Crédito: Robin Singh, MIT  

El dispositivo lo crearon utilizando tecnologías de fabricación existentes familiares para la industria de la microelectrónica, por lo que podría implementarse a escala masiva con costos menores. Robin Singh y sus colegas crearon su diseño general a través del modelado computacional. Este incluyó enfoques convencionales basados en la física involucrada en la propagación y manipulación de la luz y técnicas de aprendizaje automático en las que se enseña a la computadora a predecir soluciones potenciales usando grandes cantidades de datos. Los investigadores utilizaron ese diseño para crear una linterna específica en la que los rayos de luz son perfectamente paralelos entre sí. Los haces colimados (paralelos) son clave para algunos tipos de sensores. La linterna general involucró unas 500 estructuras rectangulares a nanoescala de diferentes dimensiones que el modelado predijo como óptimas para producir un haz colimado. Las nanoestructuras de diferentes dimensiones dan lugar a diferentes tipos de haces que a su vez son clave para las aplicaciones. El enfoque de un amplio frente de radiación concentrado en un solo punto también podría usarse para crear una variedad de otras nano linternas con características específicas para otras aplicaciones. 

Lecturas complementarias: Design of optical meta-structures with applications to beam engineering using deep learning - Inverse design of photonic meta-structure for beam collimation in on-chip sensing

Control remoto hormonal con nanopartículas magnéticas.

Investigadores del MIT, en el artículo Transgene-free remote magnetothermal regulation of adrenal hormones, publicado en la revista Science Advances (10 Apr 2020), explican el procedimiento que han ideado para controlar de forma remota la liberación de hormonas desde la glándula suprarrenal, utilizando nanopartículas magnéticas. Los niveles anormales de hormonas, como la adrenalina y el cortisol, están relacionados con una variedad de trastornos de salud mental, incluida la depresión,  el estrés y la ansiedad.

Crédito: Polina Anikeeva y col. Science Advances (10/04/20)

La investigación puede ayudar a aprender más sobre cómo la liberación de hormonas influye en la salud mental y ofrecer una nueva forma de tratar trastornos relacionados. Para lograr el control sobre la liberación de hormonas han desarrollado nanopartículas magnéticas especializadas inyectables en la glándula suprarrenal. Cuando se expo-nen a un campo magnético débil, las partículas se calientan ligeramente, activando los canales iónicos que controlan el flujo de calcio hacia las células suprarrenales sensibles al calor, capaces de desencadenar la liberación de hormonal, logrando, de este modo, estimular un órgano profundo en el cuerpo con mínima invasividad. Las nanopartículas utilizadas son de magnetita, un tipo de óxido de hierro que forma pequeños cristales magnéticos de aproximadamente 1/5000 del grosor de un cabello humano. Con estas logran la estimulación magnetotérmica para modular la función de las células sin introducir artificialmente ningún gen. Cuando las ratas se expusieron a un campo magnético débil (aproximadamente 50 militesla, 100 veces más débil que los campos utilizados para la resonancia magnética-MRI), las partículas se calentaron aproximadamente 6 grados Celsius, lo suficiente como para que los canales de calcio se abrieran sin dañar cualquier tejido circundante.

Crédito: Polina Anikeeva y col. Science Advances (10/04/20)

La estimulación desencadenó una fiebre hormonal, duplicando la producción de cortisol y aumentando la noradrenalina en aproximadamente un 25 por ciento. Esto condujo a un aumento medible en las frecuencias cardíacas de los animales. Otra área donde esta estrategia podría ser prometedora es en el tratamiento del dolor, porque los canales iónicos sensibles al calor a menudo se encuentran en los receptores del dolor. La investigación  confirma que algunos trastornos considerados neurológicos pueden tratarse desde la periferia, si podemos aprender a modular esos circuitos locales en lugar de los circuitos globales del sistema nervioso central.

Información conplementaria:

Transgene-free remote magnetothermal regulation of adrenal hormones

El MIT, los memristores y los chips neuromórficos.

 David Trejo. Prof. de Nanoelectrónica. CAECE

En el artículo publicado el 3 de septiembre del 2016 (Biotecnología & Nanotecnología al Instante) decíamos sobre la posibilidad de fabricar cerebros cuasi similares: “Los nanochips neurosinápticos fueron desarro-llados por IBM (TrueNorth). Cada nanochip equivale a 1 millón de neuronas y 256 millones de sinapsis programables a través de 4.096 núcleos neurosinápticos individuales. Estos nanochips cuentan con una cifra record de 5.400 millones de transistores por centímetro cuadrado. El nanochip neurosináptico integra a la capacidad de procesamiento matemático de las computadoras clásicas, equivalente al lado izquierdo del cerebro, con la capacidad adicional de imitar el lado derecho dónde impacta la información percibida por los sentidos, pudiendo procesar imágenes y la información recibida por una cantidad casi ilimitada nanosensores para responder y resolver con inteligencia complejas situaciones”…”No obstante el cerebro humano tiene una parte de ordenador analógico extremadamente compleja. Su evolución se basa en sus experiencias previas y hasta ahora esta funcionalidad no se pudo reproducir de manera adecuada con la tecnología digital. El desarrollo de nanomemorias tipo memristor (resistencias de memoria) constituye un requisito previo para la construcción de redes de neuronas artificiales capaces de igualar el rendimiento y la funcionalidad de sus homólogos biológicos.  A partir del año 2008 comenzó a confirmarse la posibilidad de un nuevo componente, el memristor, capaz de comportarse  de una manera similar a las sinapsis de las neuronas dentro del cerebro humano. La resistencia a la corriente dentro de un memristor es el producto de las corrientes que han fluido previamente a través de él. La corriente fluye cada vez más fácil cuanto más fluye una corriente previa. Debido a estas propiedades los memristores tienen a constituir una memoria no volátil y permiten producir computadoras mejoradas en la comprensión del habla, las imágenes y el mundo que les rodea”. Esta semana el MIT (Massachusetts Institute of Technology) distingue al Ingeniero David Trejo, profesor de electrónica y Nanoelectrónica de la Licenciatura en Nanotecnología (Universidad CAECE) por sus “chips neuromórficos que prometen potenciar las capacidades de la informática”. El informe del MIT señala “La informática ha evolucionado desde ordenadores que ocupaban habitaciones enteras con capacidades ínfimas hasta computadoras tipo smartphone que caben en un bolsillo y cuya potencia supera a la nave espacial de la misión Apolo 11. Y, dado que la electrónica y la informática siguen avanzando, puede que dentro de un puñado de años la potencia computacional de los aparatos que usamos actualmente nos parezca ridícula. Este es precisamente el objetivo del trabajo del Ing. David Trejo, centrado en buscar nuevas formas de utilizar los memristores. Se trata de unos exóticos dispositivos electrónicos cuya existencia se confirmó en 2008. Estos aparatos almacenan información cuando reciben corriente eléctrica y se están posicionando en chips específicos para inteligencia artificial. Mientras la informática actual almacena la información en forma de unos y ceros (binario), los memristores de Trejo pueden grabar múltiples niveles de información”… “Con miles de memristores, en una placa se pueden emular las redes neuronales de nuestro cerebro. El ingeniero ha creado una placa que le permite hacer una red neuronal de ocho neuronas y trabaja en otra de hasta 64.000. Es una escala de integración más grande que nunca se había hecho antes", explica Trejo. Además, afirma que sus memristores también podrían servir como chips especializados en computación cuántica. La memoria RAM típica de la mayoría de los aparatos electrónicos permite almacenar ceros y unos. Por el contrario, la innovación de Trejo permitirá almacenar al menos ocho valores. "Esto es muy importante para la computación neuromórfica", cuenta Trejo, es decir, para los sistemas que emulan las sinapsis de las neuronas que forman nuestro sistema nervioso. Esto supondrá la cuarta revolución de la electrónica: los procesadores que vienen preparados para la inteligencia artificial. La aplicación de estos avances hará más rápidos los procesos informáticos y aumentará la potencia de la computación actual. Los chips de inteligencia artificial son algo que vamos a necesitar porque todas las apps usan big data e inteligencia artificial, y por esos nuestros smartphones son lentos. Con chips de inteligencia artificial el procesamiento será mucho más rápido y eficiente", añade Trejo. La directora de Telecomunicaciones en la Universidad Nacional Autónoma de México, María de Lourdes Velázquez, miembro del jurado de Innovadores 2019, cree que el proyecto de Trejo "podría ayudar a acelerar el desarrollo de hardware para aplicaciones de inteligencia artificial e internet de las cosas, y que podría lograr grandes impactos en la constante evolución de la industria de la computación".

Lectura complementaria:

Nanomemoria en el cerebro homólogo humano.

Teléfonos celulares con nanosensores de gases tóxicos.

Los investigadores del Departamento de Química del MIT (Massachusetts Institute of Technology) desarrollaron sensores utilizando nanotubos de carbono modificados químicamente capaces de detectar menos de 10 ppm (partes por millón) de gases tóxicos (J. Am. Chem. Soc., 2016). El sensor tiene un circuito cargado con nanotubos de carbono, normalmente altamente conductores, envueltos en un material aislante para mantenerlos en un estado altamente resistivo. Cuando se expone a ciertos gases tóxicos el material aislante específico es atacado en función de la concentración de la sustancia en el aire y los nanotubos vuelven a conducir la corriente enviando una señal legible por un teléfono celular inteligente con tecnología de comunicación de campo cercano (NFC). Los teléfonos celulares con nanosensores para sustancias tóxicas  podrían ser utilizados por los soldados en el campo de batalla para evidenciar la presencia de armas químicas,  los trabajadores de fábricas en las cuales puede haber fugas de sustancias peligrosas, ambientalistas para controlar niveles de contaminación del planeta y por los habitantes de un lugar para salvar sus vidas en caso escapes peligrosos o de atentados con gases letales. Los nanosensores en su conjunto pesan menos que una tarjeta de crédito. Un gramo de nanotubos de carbono alcanza para construir cuatro millones de dispositivos con un costo aproximado de  50 centavos de dólar cada uno. Una contribución de la nanotecnología en un  desarrollo accesible capaz de mejorar de la seguridad personal y cuidar la salud.

Lectura complementaria:

Ultratrace Detection of Toxic Chemicals: Triggered Disassembly of Supramolecular Nanotube Wrappers