Las proteínas se encuentran entre las biomoléculas más versátiles y ubicuas del planeta. La naturaleza los usa para todo, desde la construcción de tejidos hasta la regulación del metabolismo y la defensa del cuerpo contra las enfermedades.

Las proteínas se encuentran entre las biomoléculas más versátiles y ubicuas del planeta. La naturaleza los usa para todo, desde la construcción de tejidos hasta la regulación del metabolismo y la defensa del cuerpo contra las enfermedades.

Ahora, un nuevo estudio muestra que las proteínas tienen otras habilidades, en gran parte inexploradas. En las condiciones adecuadas, pueden funcionar como pequeños cables que transportan corriente útiles para una gama de nanoelectrónica diseñada por humanos.

En una nueva investigación que aparece en la revista ACS nano, Stuart Lindsay y sus colegas muestran que ciertas proteínas pueden actuar como conductores eléctricos eficientes. De hecho, estos pequeños cables de proteínas pueden tener mejores propiedades conductoras que los nanocables de ADN similares, que ya han logrado un éxito notable en una variedad de aplicaciones humanas.

El profesor Lindsay dirige el Centro de Biodiseño para la Biofísica de Moléculas Únicas. También es profesor en el Departamento de Física y la Escuela de Ciencias Moleculares de ASU.

Al igual que en el caso del ADN, las proteínas ofrecen muchas propiedades atractivas para la electrónica a nanoescala, incluida la estabilidad, la conductividad sintonizable y una gran capacidad de almacenamiento de información. Aunque tradicionalmente se pensaba que las proteínas eran malas conductoras de la electricidad, esto cambió recientemente cuando Lindsay y sus colegas demostraron que una proteína suspendida entre dos electrodos puede actuar como un conductor de electrones eficiente.

La nueva investigación analiza más de cerca el fenómeno del transporte de electrones a través de las proteínas. Los resultados del estudio demuestran que los nanocables de proteínas exhiben mejores propiedades de conductividad a larga distancia que los nanocables sintetizados químicamente que están diseñados específicamente para ser conductores. Además, las proteínas se autoensamblan, lo que permite el control de sus componentes a nivel atómico.

Los nanocables de proteínas diseñados sintéticamente podrían producir nueva electrónica ultrapequeña con aplicaciones potenciales en detección y diagnóstico médico, nanorobots para realizar misiones de búsqueda y destrucción contra enfermedades, o en una nueva generación de transistores informáticos ultrapequeños. Lindsay está particularmente interesado en el potencial de los nanocables de proteínas para su uso en nuevos dispositivos para la secuenciación ultrarrápida de proteínas y ADN, un área en la que ya ha logrado avances significativos.

Además de su papel en los dispositivos nanoelectrónicos, las reacciones de transporte de carga en los sistemas vivos son fundamentales para procesos como la respiración, el metabolismo y la fotosíntesis. Por lo tanto, explorar las propiedades de transporte de las proteínas diseñadas puede arrojar nueva luz sobre cómo ocurren tales procesos en los organismos vivos.

Si bien las proteínas comparten muchas de las ventajas del ADN para la nanoelectrónica en términos de conductividad eléctrica y autoensamblaje, el alfabeto extendido de 20 aminoácidos que se usa para construirlas proporciona un juego de herramientas mejorado para los nanoarquitectos como Lindsay en comparación con los cuatro nucleótidos que componen el ADN. .

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Aunque el transporte de electrones ha sido un foco de investigación considerable, la naturaleza del flujo de electrones a través de las proteínas sigue siendo un misterio. En términos generales, el proceso puede ocurrir a través de un túnel de electrones, un efecto cuántico que ocurre en distancias muy cortas, o mediante el salto de electrones a lo largo de una cadena peptídica, una cadena de aminoácidos en el caso de las proteínas.

Uno de los objetivos del estudio era determinar cuál de estos regímenes parecía funcionar midiendo cuantitativamente la conductividad eléctrica en diferentes longitudes de nanocables de proteínas. El estudio también describe un modelo matemático que se puede utilizar para calcular las propiedades electrónicas moleculares de las proteínas.

Para los experimentos, los investigadores utilizaron segmentos de proteínas en pasos de cuatro nanómetros con una longitud de 4 a 20 nanómetros. Se diseñó un gen para hacer estas secuencias de aminoácidos a partir de una plantilla de ADN, y luego se unieron las longitudes de proteína en moléculas más largas. Se utilizó un instrumento muy sensible conocido como microscopio de túnel de barrido para realizar mediciones precisas de la conductividad a medida que avanza el transporte de electrones a través del nanocable de proteína.

Los datos muestran que la conductividad disminuye a lo largo del nanocable de una manera consistente con el comportamiento de salto en lugar de túnel de los electrones. Los residuos de aminoácidos aromáticos específicos (seis tirosinas y un triptófano en cada giro en espiral de la proteína) ayudan a guiar a los electrones en su viaje de un punto a otro, como estaciones secuenciales a lo largo de una ruta de tren. «El transporte de electrones es como lanzar una roca sobre el agua: la roca no tiene tiempo de hundirse con cada rebote», dice Lindsay.

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Si bien las conductancias de los nanocables de proteínas disminuyeron con la distancia, lo hicieron de manera más gradual que los cables moleculares convencionales, que fueron diseñados específicamente para ser conductores eficientes.

Cuando los nanocables de proteínas alcanzaron longitudes de más de seis nanómetros, su conductividad superó a la de los nanocables moleculares y abrió la puerta a su uso en muchas aplicaciones nuevas. El hecho de que puedan diseñarse y manipularse sutilmente con control atómico, y autoensamblarse a partir de una plantilla genética, permite manipulaciones precisas mucho más allá de lo que actualmente se puede lograr con el diseño de transistores convencionales.

Una posibilidad emocionante es usar tales nanocables de proteínas para conectar otros componentes en un nuevo conjunto de nanomáquinas. Por ejemplo, los nanocables podrían usarse para conectar una enzima conocida como ADN polimerasa a electrodos, lo que daría como resultado un dispositivo que potencialmente podría secuenciar un genoma humano completo de forma económica en menos de una hora. Un enfoque similar podría permitir la integración de proteosomas en dispositivos nanoelectrónicos que pueden leer aminoácidos para la secuenciación de proteínas.

“Ahora estamos comenzando a comprender el transporte de electrones en estas proteínas. Una vez que tiene los cálculos cuantitativos, no solo tiene excelentes componentes electrónicos moleculares, sino que también tiene una receta para su diseño”, dice Lindsay. «Si piensas en el programa SPICE que usan los ingenieros eléctricos para diseñar circuitos, ahora hay un atisbo de que podrías obtener esto para la electrónica de proteínas».


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