25 de Noviembre de 2022
Biotecnología

Róveres diminutos para explorar las células sin dañarlas

Una antena en miniatura transmite los datos desde el interior de las células sin utilizar las dañinas microondas.

El equipo de investigadores probó su antena diminuta en huevos de rana de uñas africana como esta. [TimVickers/Wikimedia Commons, dominio público]

Cuando Deblina Sarkar quiso bautizar la nueva creación de su laboratorio con el nombre de «róver celular», sus alumnos no lo vieron claro. Para ellos, era «un nombre demasiado bonito para una nueva técnica científica». Pero Sarkar, experta en nanotecnología del Instituto Tecnológico de Massachusetts, quería que el nombre del diminuto aparato evocara la exploración de mundos desconocidos. En este caso, el róver iba a desplazarse por el interior de una célula viva y no por la superficie de un planeta lejano.

Los recientes avances en ingeniería han permitido a los científicos crear aparatos electrónicos del tamaño de una célula. Gracias a ello, exploran y manipulan las entrañas de las células individuales. Pero un vehículo de este tipo tendría que recibir instrucciones y transmitir información. El problema es que comunicarse con dispositivos tan pequeños puede ser muy difícil. «Miniaturizar una antena para que quepa dentro de la célula es un enorme desafío», afirma Sarkar. El problema tiene que ver con las ondas electromagnéticas que se utilizan con la mayoría de las antenas convencionales (como las de los teléfonos móviles) para transmitir y recibir datos. Las antenas funcionan mejor con sus «frecuencias de resonancia». Estas se alcanzan cuando la longitud de onda es aproximadamente igual a la longitud real de la antena. Debido a la relación matemática entre la velocidad, la frecuencia y la longitud de onda, aquellas ondas cuyas longitudes de onda son más cortas tienen frecuencias más altas. Por desgracia, las antenas subcelulares tienen que ser tan pequeñas que requieren frecuencias que entran en el rango de las microondas. El problema es que este tipo de señales «fríen las células», señala Sarkar. Pero cree que ha encontrado una solución. En un artículo publicado en Nature Communications, describe un nuevo diseño de antena que funciona con seguridad dentro de las células al resonar con ondas acústicas en lugar de electromagnéticas. Una antena que funcione correctamente podría ayudar a los científicos a alimentar diminutos sensores itinerantes dentro de la célula y comunicarse con ellos. Eso les ayudaría a comprender mejor estos bloques de construcción y tal vez facilitaría el diseño de nuevos tratamientos médicos.

Una nueva antena

Sarkar y su equipo fabricaron su antena experimental a partir de un material «magnetostrictivo», es decir, un material que cambia de forma cuando se expone a un campo magnético. Optaron por una aleación de hierro, níquel, boro y molibdeno fácil de conseguir, que se había utilizado con anterioridad para fabricar otros tipos de sensores. Cuando se aplica un campo magnético de corriente alterna a esta antena magnetostrictiva, los polos norte y sur de sus moléculas se alinean con el campo magnético cambiante, girando hacia delante y hacia atrás, lo que estira el material. Este movimiento hace que la antena vibre como un pequeño diapasón. Como cualquier material magnético, la antena produce su propio campo magnético como respuesta al externo. Dado que está vibrando, su movimiento altera su nuevo campo magnético de tal forma que un receptor puede detectarlo. Esto permite que se establezca una comunicación bidireccional.

Ondas acústicas

La principal diferencia que hay entre una antena convencional y el róver celular es la traducción de las ondas electromagnéticas en ondas acústicas. «Su antena no resuena en función de la longitud de onda de la luz, sino de la del sonido», explica Jacob Robinson, neuroingeniero de la Universidad de Rice que no participó en el estudio. Al igual que ocurre con las antenas tradicionales de mayor tamaño, el róver celular alcanza su frecuencia de resonancia cuando las ondas tienen una longitud de onda igual a la suya. La diferencia es que las ondas que estimulan esta frecuencia son las sonoras, que viajan mucho más lentamente que las electromagnéticas. Como la relación entre la longitud de onda y la frecuencia de una onda también depende de su velocidad, las ondas sonoras y las electromagnéticas que poseen la misma longitud de onda tendrán frecuencias diferentes. En otras palabras, el campo magnético externo envía señales al róver celular mediante ondas con frecuencias fuera del dañino intervalo de las microondas. Para Robinson, este «es un enfoque inteligente».

Primero, pusieron a prueba el róver celular en el aire y en el agua, y comprobaron que la frecuencia en la que mejor funcionaba la antena era 10.000 veces menor que la de una antena electromagnética equivalente, lo suficientemente baja como para evitar la muerte de las células vivas. A continuación, lo introdujeron en el interior de un sistema vivo: el óvulo de la rana de uñas africana, un organismo modelo. Como el róver celular estaba hecho de un material magnético, utilizaron un imán para introducirlo en cada célula de prueba. Después de estas inserciones, observaron los óvulos con un microscopio. Parecían sanos y no se produjo ninguna fuga. Mientras estaba dentro del óvulo, el róver celular fue capaz de recibir una transmisión electromagnética y enviar una señal de respuesta hacia el exterior, a una distancia de un centímetro. Luego introdujeron varios róveres celulares de distintos tamaños en una misma célula y comprobaron que podían distinguir las señales de transmisión de cada uno de ellos.

Una cuestión de tamaño

A pesar del avance que supuso la construcción de un róver celular diminuto, el tamaño de los prototipos seguía siendo excesivo. Con sus poco más de 400 micrómetros (0,4 milímetros) de longitud, eran demasiado grandes para caber dentro de muchos tipos de células. Así que el equipo realizó una simulación por ordenador del funcionamiento de una antena 20 veces más pequeña que las que probaron. La comunicación de estos hipotéticos vehículos tenía un alcance similar, pero aún no los han construido. Robinson señala que también habrá que aumentar el alcance para que estos dispositivos puedan operar en organismos vivos. «Creo que hay que trabajar más para conseguir que hagan más cosas», añade. «Todavía no hacen nada que sea biológicamente relevante.»

Hasta ahora, lo único que se ha demostrado es que el róver celular es capaz de enviar señales vacías que equivaldrían a la estática de un televisor. El objetivo ahora es averiguar qué se podrá ver cuando se equipe al róver con diminutos instrumentos para recoger y transmitir información sobre el entorno en el que se halle. Por ejemplo, se pretende añadir un sencillo recubrimiento de polímero que se uniría a los iones o proteínas cercanos. Cuando estas sustancias se adhieran al polímero, cambiarán la masa del róver celular, lo que a su vez alterará las vibraciones acústicas que produce. Al medir esos cambios se podrán evaluar los niveles de proteínas o iones presentes en una célula.

El róver también se podría adaptar para que realizara tareas más complejas. Algún día se podrá utilizar para que destruya células cancerosas, o para que altere eléctricamente las vías de señalización e influya así en la división o la diferenciación celular. También será una fuente de energía que alimente a otros dispositivos en miniatura. «No solo podemos realizar mediciones intracelulares y controlar ciertas funciones, sino también alimentar circuitos nanoelectrónicos», afirma Sarkar. Estos minúsculos dispositivos electrónicos también posibilitarán que el róver celular realice viajes de exploración similares a los de su homónimo de mayor tamaño. Analizarán los datos de los sensores y modificarán el entorno celular sin la intervención de un científico. «Algún día podrán tomar decisiones autónomas», afirma Sarkar. «Las posibilidades son ilimitadas.»

Andrew Chapman

Referencia: «Cell Rover—a miniaturized magnetostrictive antenna for wireless operation inside living cells»; Baju Joy et al. en Nature Communications, vol. 13, número de artículo: 5210, 22 de septiembre de 2022.

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