Puertas a escala atómica podrían revolucionar la secuenciación de ADN

Los canales iónicos son pequeñas aberturas que controlan el movimiento de partículas cargadas en los organismos vivos. Estas vías estrechas son esenciales para diversas funciones biológicas. En algunos casos, sus secciones más estrechas miden solo unos pocos angstroms, aproximadamente el ancho de átomos individuales. Reproducir estructuras de este tamaño con precisión y consistencia ha sido uno de los mayores desafíos en la nanotecnología.

Investigadores de la Universidad de Osaka dieron un paso significativo hacia este objetivo. En un artículo publicado en Nature Communications, el equipo describió cómo utilizó un mini reactor electroquímico para producir poros que se acercan a dimensiones subnanométricas.

Imitando las puertas eléctricas de la naturaleza

Dentro de las células, los iones viajan a través de canales proteicos especializados incrustados en la membrana celular. Este movimiento iónico genera señales eléctricas, incluyendo los impulsos nerviosos responsables de la contracción muscular. Los canales están formados por proteínas y contienen regiones extremadamente estrechas a escala de angstrom. Al estar expuestas a señales externas, estas proteínas cambian de forma, lo que permite que los canales se abran o cierren.

Inspirándose en este sistema natural, los investigadores diseñaron una versión de estado sólido capaz de formar poros casi tan pequeños como los canales iónicos biológicos. Comenzaron creando un nanoporo en una membrana de nitruro de silicio. Este nanoporo luego actuó como una pequeña cámara de reacción para construir poros aún más pequeños dentro de él.

Cuando el equipo aplicó un voltaje negativo a través de la membrana, se activó una reacción química dentro del nanoporo. Esta reacción produjo un precipitado sólido que se expandió gradualmente hasta bloquear completamente la abertura. Invertir el voltaje provocó la disolución del precipitado, restaurando los caminos conductores a través del poro.

"Pudimos repetir este proceso de apertura y cierre cientos de veces durante varias horas", explicó el autor principal Makusu Tsutsui. "Esto demuestra que el esquema de reacción es robusto y controlable."

Picos eléctricos revelan poros subnanométricos

Para comprender mejor lo que sucedía dentro de la membrana, los investigadores monitorizaron la corriente iónica que la atravesaba. Observaron picos agudos en la corriente, patrones similares a los vistos en los canales iónicos biológicos. Un análisis adicional indicó que estas señales eran más consistentes con la formación de numerosos poros subnanométricos dentro del nanoporo original.

El equipo también descubrió que podían ajustar el comportamiento de los poros. Al modificar la composición química y el pH de las soluciones reactantes, alteraron tanto el tamaño como las propiedades de las aberturas ultrapequeñas.

"Pudimos variar el comportamiento y el tamaño efectivo de los poros ultrapequeños al cambiar la composición y el pH de las soluciones reactantes", informó Tomoji Kawai, autor senior. "Esto permitió el transporte selectivo de iones de diferentes tamaños efectivos a través de la membrana al ajustar los tamaños de los poros ultrapequeños."

Aplicaciones en la secuenciación de ADN y computación neuromórfica

Este enfoque químico permite generar múltiples poros ultrapequeños dentro de un solo nanoporo. La técnica ofrece una nueva forma de estudiar cómo se mueven los iones y fluidos a través de espacios extremadamente confinados a escalas comparables a los sistemas vivos.

Más allá de la investigación fundamental, la tecnología podría apoyar campos emergentes como la detección de moléculas únicas (por ejemplo, utilizando nanoporos para secuenciar ADN), la computación neuromórfica (usando picos eléctricos para imitar el comportamiento de neuronas biológicas) y nanoreactores (creando condiciones de reacción únicas a través de la confinación).

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