Un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ha logrado sellar transistores de nanocables de silicio en una membrana similar a las que rodean a las células biológicas. Estos dispositivos híbridos, que operan de forma similar a las células nerviosas, podrían utilizarse para crear mejores interfaces para miembros prostéticos e implantes cocleares. También podrían funcionar bien como biosensores para diagnósticos médicos.

La comunicación biológica es sofisticada y a día de hoy sigue siendo algo que los aparatos electrónicos no son capaces de emular, puesto que dependen de campos eléctricos y corrientes.  Las células en el cuerpo humano utilizan muchas formas de comunicación adicionales, tales como hormonas, neurotransmisores, e iones como el calcio. El nexo de la comunicación biológica es la membrana celular, una doble capa de moléculas grasas con proteínas que actúan como guardianes y llevan a cabo los primeros pasos en los procesos de señales biológicas.

Aleksandr Noy, químico en el laboratorio nacional, puso una membrana celular a los nanocables de silicio con la esperanza de poder construir mejores dispositivos bioelectrónicos. “Si somos capaces de hacer que los dispositivos microelectrónicos modernos se comuniquen con los organismos vivos, podremos construir prótesis más eficientes o nuevos tipos de biosensores para su uso en diagnósticos médicos,” afirma Noy. Por ejemplo, si los electrodos que conectasen un dispositivo prostético con el sistema nervioso pudieran leer las señales químicas en vez de sólo las eléctricas, la persona que llevase puesta la prótesis podría tener un mejor control sobre ella.

Noy comenzó elaborando series de transistores de nanocables de silicio—filas de cables de 30 nanómetros de diámetro limitadas en cada extremo por contactos eléctricos—utilizando métodos desarrollados por otros investigadores. Las series se colocaron en un dispositivo de microfluidos. El grupo de Noy utilizó los microfluidos para crear esferas huecas de moléculas de membrana grasa. Las esferas se ven atraídas a la superficie de los nanocables con carga negativa, donde se acumulan y se funden para formar una membrana contínua que sella por completo cada nanocable de igual modo que la membrana biológica sella los contenidos de una célula. Los transistores de nanocables sin membrana sufren un cambio notable en sus propiedades eléctricas al ser expuestos a soluciones ácidas o básicas; esto no ocurre con los nanocables protegidos con membrana, puesto que la capa grasa los protege contra la solución—al igual que hacen las membranas biológicas.

Para que los nanocables pudieran tener puertas eléctricas—en esencia, una forma de hacer que respondan al entorno químico que los rodea—Noy añadió proteínas para formar canales de iones, que controlan el flujo de átomos cargados y moléculas a través de las membranas celulares. Cuando se colocan en la solución con los nanocables, estas proteínas se insertan ellas mismas en la membrana. El grupo de Noy puso a prueba los dispositivos con dos tipos de canales de iones: uno que siempre permite que los iones pequeños y de carga positiva pasen a través de ella, y otro que sólo lo hace en respuesta a un cambio de voltaje producido por el nanocable. Este tipo de proteína sensible al voltaje a menudo se utiliza para simular las señales eléctricas nerviosas. Los nanocables con canales de iones son capaces de notar la presencia de iones en la solución. Al utilizar el nanocable para crear una diferencia de voltaje a través de la membrana, la proteína sensible al voltaje se puede abrir y cerrar, lo que permite de forma efectiva que el nanocable encienda o apague su capacidad para detectar elementos químicos. “De alguna forma, las neuronas son una buena analogía en este caso,” afirma Noy en referencia a estos dispositivos.

El estudio de Noy, descrito esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences, abre nuevos caminos puesto que hace que los nanocables se parezcan más a las células, afirma Yi Cui, profesor asistente de ciencia de los materiales e ingeniería en la Universidad de Stanford. Junto a Charles Lieber, químico en la Universidad de Harvard, Cui ha cubiertos los nanocables con una capa de anticuerpos, transformando a estos nanocables de silicio en unos sensores de gran sensibilidad. Los sensores podrían servir, por ejemplo, para detectar proteínas de la sangre características del cáncer. El estudio de Noy, afirma Cui, “es una forma realmente creativa de integrar un transistor con una membrana celular.” Al poner una capa a los nanocables, Noy puede aprovecharse de todo lo que pueden ofrecer las membranas celulares biológicas, incluyendo la capacidad para detectar y responder ante los cambios de voltaje, así como a los iones, proteínas, y otras biomoléculas. Este rango de funcionalidad no se puede alcanzar con los anticuerpos, señala Cui.

El siguiente paso para Noy es desarrollar dispositivos híbridos y más sofisticados hechos con nanocables. Hasta ahora, cada dispositivo ha estado equipado con sólo un tipo de canal de iones, lo que limita la complejidad de las funciones que pueden llevar a cabo. (Las células biológicas están recubiertas con muchas membranas de proteínas distintas.)

Los investigadores también empezarán a poner a prueba las interacciones de los dispositivos con células vivientes. Otros investigadores, incluyendo a Peidong Yang en la Universidad de California, Berkeley, y Lieber en Harvard, han utilizado nanocables de silicio desnudos para interferir con neuronas, células madre, células del corazón y otros tejidos. Han demostrado que los nanocables pueden enviar y recibir señales eléctricas con una resolución espacial muy alta, incluso entre células individuales. El estudio inicial de Noy sigue siendo una prueba de concepto.