EL CFM EN “LA MECÁNICA DEL CARACOL” – LA ERA DE LOS NANOBOTS Y EL PROYECTO MEMO – PROGRAMA 10 – DICIEMBRE

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Ya está aquí: la era de los nanobots
¿Cómo de pequeña puede ser una máquina fabricada por el ser humano? Esta es la pregunta que lanzó el premio Nobel Richard Feyman, en una famosa charla que dio en 1984, descalzo vestido con un polo rosa y unos shorts beige, casual como él solo. En 1950 ya demostró ser un visionario cuando pronunció su épica frase “there is plenty of room at the bottom” (hay mucho espacio ahí abajo) que revolucionó la nanotecnología.
Él estaba convencido de que se podrían construir máquinas en la nanoescala. De hecho, existen en la naturaleza, un flagelo de una bacteria por ejemplo puede ser considerado como una máquina molecular que permite a la bacteria desplazarse. Pero ¿seríamos los seres humanos – con nuestras manos gigantes- capaces de crear máquinas tan pequeñas que necesitaríamos de un microscopio electrónico para verlas en acción?
La era de los nanobots
La respuesta 30 años después es que sí. De hecho el año pasado (2016) el premio Nobel de química fue para Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa por el diseño y producción de máquinas moleculares. Son estructuras capaces de llevar a cabo trabajos en la nanoescala. Han diseñado moléculas que pueden llevar a cabo una tarea cuando son excitadas con una energía externa. Un ascensor diminuto, músculos artificiales, y motores minúsculos son algunos de los diseños de estos “ingenieros minimalistas”.

Bernard Feringa en el año 1999 fue la primera persona que creó un motor molecular. Su diseño es un rotor con una especie de aspa que gira continuamente en la misma dirección. Utilizando estos motores moleculares ha podido mover un cilindro de cristal 10.000 veces mayor que el motor que lo empujaba. También diseñó un nanocoche con sus nanoruedas y todo.

La clave es sacar a las moléculas de sus estados energéticos de equilibrio en las que son estables y llevarlas a estados energéticos en los que sus movimientos pueden ser controlados. En términos de desarrollo los motores moleculares están en el mismo estadio en el que nos encontrábamos el motor eléctrico allá por el año 1830, cuando varios científicos mostraban sus prototipos de ruedas que giraban en sus laboratorios, sin ser conscientes de que estaban sentando las bases para construir todo tipo de aparatos, desde lavadoras a ventiladores o procesadoras de carne!

Un brazo robótico que hace reacciones químicas- el desarrollo de las máquinas más pequeñas del mundo
Salma Kassem, Alan T. L. Lee, David A. Leigh, Vanesa Marcos, Leoni I. Palmer and Simone Pisano, Nature, 549, 374-378 (2017). (University of Manchester)
Un “ensamblador molecular” es un concepto futurístico hipotético en la que un nanobot es capaz de acompasar reacciones químicas posicionando las moléculas reactivas con precisión atómica originalmente propuesto por K. Eric Drexler. Esta idea de manipular átomos o clústeres de átomos individualmente altamente reactivos con precisión de amstrongs se creía pura fantasía. Y sin embargo, en las células hay auténticas factorías trabajando a esta escala a diario.
Este año, investigadores de la la universidad de Manchester han desarrollado un robot molecular que mueve un substrato a través de distintos puntos de activación (como si pasara por una fábrica de procesada) para conseguir distintos productos de reacción “ a la carta”.
Nanorobots sanitarios
Es ceincia ficción hecha realidad: se están diseñando robots de tamaño nanométrico capaces de moverse dentro del cuerpo humano, comunicarse entre sí, realizar tareas y autodestruirse en el propio cuerpo. Según una reciente revisión publicada por un prestigios equipo de la universidad de california (San Diego), líder en nanorobótica, estos robots podrían ser el futuro de la medicina moderna para el diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades.
En este artículo reocgen por ejemplo el trabajo de un grupo de investigación en la ETH de Zurich, dónde un nanorobot con forma de cable girado puede ser conducido hasta una posición concreta de manera inalámbrica. Una vez localizado en su posición empleando un campo magnético se puede “abrir” para liberar medicamentos, por ejemplo, anticancerígenos. El alcance de estos sistemas está aún en vías de desarrollo, pero es prometedor pensar en tener nanomáquinas capaces de liberar la droga justo dónde y cuándo se necesita.
¿Cómo son estos nanorobots?

1. Son difíciles de mover y más aun de activar
Dos de los retos claves a la hora de miniaturizar un robot es como controlar la locomoción y su puesta en marcha. No podemos poner engranajes o una batería eléctrica, todo eso es demasiado grande. En su lugar, muchos de estos robots emplean una estrategia de “nado” (como un espermatozoide) y se activan químicamente o por una fuente externa como un campo magnético, con luz, calor o electricidad.
Un ejemplo es el nano-cohete diseñado por Joseph Wang y su equipo en el departamento de nanoingeniería de la Universidad de California San Diego (La Jolla). Es capaz de auto-propulsarse a través del estómago o del tracto intestinal utilizando los fluidos gástricos como combustible y dejando una cola de burbujas a su paso.

2. Pueden llevar a cabo cirugía
Hace años que contamos con robots como el Da Vinci que han permitido aumentar la precisión de los cirujanos en sus operaciones de manera que muchos procesos quirúrgicos son ahora mínimamente invasivos. La escala de la que hablamos es aún más ambiciosa. Se están desarrollando microtaladros y toda una serie de nanoherramientas que puedan viajar a través del cuerpo y tomar muestras en los lugares precisos, con un impacto prácticamente cero en el paciente. En un ejemplo reciente utilizando un microrobot en forma de tubo se ha conseguido inyectar una aguja en el reverso del ojo de un conejo vivo controlando el movimiento del robot con campos magnéticos.

3. Están diseñados para autodestruirse cuando hayan acabado

En un escenario ideal, nadie querría tener el cuerpo lleno de nanobots pululando por ahí. Se está haciendo un gran esfuerzo por garantizar que el propio cuerpo podrá biodegradar estos robots una vez hayan terminado su tarea.

4. Ya están siendo testeados en animales in vivo
Ya están en fase de testeo animal. Lo siguiente somos nosotros.

EN EL CFM TENEMOS UN MEMO (MECHANICS WITH MOLECULES)
MEMO es un proyecto europeo del H2020 para la realización de máquinas moleculares. La idea es utilizar el movimiento de moléculas para producir partes móviles de una maquinaria compleja. Para esto, hay que explorar los aspectos claves de una máquina pero en la escala molecular, teniendo en cuenta los efectos que la mecánica cuántica introduce en la dinámica de las moléculas. Una parte clave de MEMO es entender cómo un usuario puede producir una rotación molecular de forma controlada utilizando una corriente eléctrica. Si este mecanismo es dilucidado, podremos tener partes móviles moleculares que rotan a nuestra voluntad e imprimen movimiento en otras partes de la maquinaria.
En el CFM desarrollamos herramientas para predecir el comportamiento de sistemas nanométricos. En MEMO los sistemas nanométricos son moléculas que interaccionan mutuamente para lograr un cometido (“máquina molecular”). Esperamos poder predecir el comportamiento de estos sistemas moleculares en condiciones realistas de trabajo, es decir sujetas a la disipación provocada por el medioambiente, y en contacto con sistemas macroscópicos que serán los que sean capaces de dirigir a las moléculas tal como un posible usuario desee.
En el proyecto cuenta con la participación de Maite Alducin, Iñaki Jauristi y Ricardo Díez Muiño que son expertos en dinámica molecular con disipación, y Nicolás Lorente que trabaja en corrientes electrónicas en contacto con grados de libertad nucleares y electrónicos, todos ellos de nuestro centro. Nicolás me decía ”Yo estudio cómo poder transferir energía a las moléculas y que estás hagan algo útil”.
Gracias al aporte financiero de MEMO, el Dr. Vladimir Zobac, de la Academia Checa de Ciencias va a unirse al grupo y aportar su conocimiento en la dinámica molecular de estados excitados.