17 may. 2010

La nanorobótica ya llegó.

Me gustaría colgar dos artículos de Público y ABC sobre el mismo invento en nanorobótica. El primero del ABC es una interesante introducción mientras que el segundo es la entrevista a uno de estos científicos... Creo que nos gustará a todos.

Del ABC

Investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) y las Universidades de Columbia y Arizona han conseguido construir y programar dos "robots moleculares" (entre cuyos componentes se ha insertado ADN) capaces de realizar tareas complejas a una escala microscópica. Los robots, igual que sus parientes de mayor tamaño, pueden moverse, pararse, girar y realizar con precisión los trabajos para los que están programados. En un artículo publicado hace unos días en Nature, los autores explican cómo estos "nanobots" están destinados, en apenas unos años, a revolucionar por completo una multitud de áreas, desde la ingeniería industrial a la medicina.


El primero de los dos robots es una especie de "araña molecular" que, según la programación que incorpore, será capaz incluso de tomar sus propias decisiones y reaccionar de acuerdo con el ambiente en el que se encuentre. Sus tres patas son enzimas de ADN que son capaces, por ejemplo, de dividir una secuencia genética determinada o de ensamblar todo tipo de moléculas construyendo (o rompiendo) sus enlaces moleculares.

El segundo robot es una especie de cadena de montaje de apenas unos nanómetros de tamaño (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro). Tiene cuatro patas y tres manos, es capaz de desplazarse rápidamente por un sustrato de ADN y, a partir de las nanopartículas que se le suministren, está diseñado para ensamblar cualquier clase de material imaginable, incluso nuevos materiales diseñados en laboratorio.

Materiales inimaginablesAmbos ingenios constituyen un paso decisivo hacia la construcción de legiones de "microrobots de ADN" capaces de fabricar, en potencia, cualquier clase de dispositivo, tanto eléctrico como mecánico. Su capacidad para ensamblar moléculas de una forma que era imposible hasta ahora será decisiva, opinan los investigadores, para diseñar y fabricar nuevos materiales que hasta ahora sólo estaban en la imaginación de los científicos.



Hasta ahora, sólo había sido posible construir nanobots capaces de realizar tareas muy sencillas, como la de desplazarse. A partir de ahora, se podrá además dotar a estas micromáquinas de una programación concreta para desempeñar labores específicas, e incluso dotarlas de la capacidad de decidir por sí mismas entre un gran número de acciones. Los nanobots podrán, por ejemplo, repararse o reconstruirse a sí mismos, o decidir si la célula que tienen enfrente es cancerosa y debe por tanto ser destruida.

Aplicaciones infinitas"Un robot - afirma Erik Winfree, profesor de ciencias computacionales del Caltech- es una máquina que percibe su entorno, toma una decisión y después actúa en consecuencia". Igual que sus "colegas" en las grandes cadenas de montaje, estos microrobots a escala molecular podrán llevar al terreno de los microscópico todas las ventajas de la robótica moderna. Con el añadido de que serán capaces de trabajar indistintamente con o sobre materiales orgánicos o inorgánicos. O lo que es igual, podrán construir o reparar tanto componentes eléctricos como tejidos vivos.

Las aplicaciones para esta clase de máquinas de ADN son infinitas y abarcan una gran multitud de campos. Todo depende de la programación que incorporen. Una legión de nanobots inyectada en el cuerpo de un astronauta podría, por ejemplo, mantenerlo sano y en forma durante un largo viaje espacial. Otro "miniejército" mecánico podría combatir, desde dentro, un tumor, a base de perseguir y destruir todas las células cancerosas que encuentre en el organismo.

Otros podrán, en un futuro próximo, poner a punto materiales más resistentes o específicamente diseñados para resistir en cualquier tipo de entorno o condiciones. Y otros se encargarán de construir piezas electrónicas de una precisión y eficacia imposible de conseguir por medio de las técnicas actuales de fabricación.

De Público.
 
Los robots del futuro serán casi invisibles y estarán hechos del mismo material que llevan dentro todos los seres vivos. Así lo creen investigadores de EEUU, Europa y Asia que llevan años usando fragmentos de ADN para construir circuitos, programar instrucciones y ensamblar robots millones de veces más pequeñosque la cabeza de un alfiler. Sus objetivos no pueden ser más ambiciosos. Quieren crear factorías de medicamentos diminutas, androides capaces de reconocer células enfermas y aniquilarlas o construir una nueva generación de chips orgánicos que multiplicarían la potencia de los ordenadores y reducirían su tamaño. Aunque tal vez no vivan para ver ese futuro, dos de los mejores equipos en esta especialidad acaban de dar un paso de gigante.


Uno ha construido una araña de unos 15 nanómetros (cada nanómetro es una millonésima de milímetro) capaz de andar y girar respondiendo a las órdenes de sus creadores. El otro grupo ha creado una especie de factoría de nanomáquinas capaces de fabricar hasta ocho compuestos químicos diferentes. El complejo ocupa una extensión de 10.000 nanómetros cuadrados. Ambos ingenios usan las cuatro letras del ADN para programar a sus autómatas.

Las nanofábricas de Seeman producen ocho compuestos diferentes

"La historia de nuestra especie puede describirse a través de nuestros materiales, empezando por el uso de las pieles y avanzando hasta la llegada de chips y órganos artificiales", explica a Público Ned Seeman, investigador de la Universidad de Nueva York y padre de la factoría nanométrica.

A principios de la década de 1980, Seeman fue el primero en usar pequeños fragmentos de ADN para construir una red que atrapase ciertas moléculas y facilitase su observación en el microscopio. Había creado la nanotecnología de ADN, un campo que ha experimentado una rapidísima expansión desde entonces. "Hace una década éramos los únicos haciendo esto, y ahora hay al menos 60 equipos en todo el mundo", explica Seeman.

Uno de ellos es el de Milan Stojanovic, el creador de las arañas de ADN. El último ingenio de este investigador de la Universidad de Columbia acaba de pulverizar el récord de distancia logrado por un nanorrobot. Si hace unos años Seeman dio la campanada con un robot capaz de dar hasta dos pasos, la araña de Stojanovic ha logrado dar 50, cubriendo una distancia de cien nanómetros. Pero lo que es más importante es que su araña fue justo donde su creador le había dicho que fuera.

"Son aplicaciones tipo Star Trek'", reconoce un experto de EEUU

"Estamos al comienzo de una carrera muy larga", explica Stojanovic. El final, que no llegará antes de varias décadas, podría acabar en un futuro inquietante. "Moléculas similares a nuestras arañas podrían dictar reglas desde la superficie de las células, cambiar su estado y decidir si eliminarlas o no", explica.

El otro gran potencial es crear una nueva generación de ordenadores. Mientras los chips actuales están muy cerca de su límite de miniaturización, el ADN podría reducir drásticamente el tamaño de los circuitos del futuro. "En un futuro cercano, algunas partes de los circuitos se podrán fabricar a partir de biomoléculas", señala en su web Ramón Eritja, un científico del Instituto de Investigación Biomédica de Barcelona que lidera un grupo especializado en estudiar circuitos moleculares.

Desde India a California, muchos otros equipos trabajan en la misma dirección. El campo es tan nuevo que nadie tiene muy claro hasta dónde puede llegar. Pero todos los expertos coinciden en que el potencial es inmenso.

Si los robots están hechos de ADN, ¿se consideran seres vivos?

"Estos equipos han conseguido crear moléculas nuevas capaces de moverse de forma controlada", explica Lloyd Smith, que investiga computación de ADN en la Universidad de Michigan. "Hace 15 años, cualquiera hubiera pensado que era imposible", añade.

El fundamento es sencillo. En lugar de usar un lenguaje binario de unos y ceros, los investigadores usan la guanina, citosina, timina y adenina que componen los cuatro ladrillos básicos de los genes.

"El ADN es uno de los pocos materiales conocidos cuyo comportamiento podemos predecir al detalle", explica Smith. Eso lo convierte en un potente lenguaje con el que crear androides que sepan qué hacer en cada momento o circuitos capaces de reorganizarse y funcionar como una especie de google orgánico, señala.

Los dos pasos claves en este camino han sido la creación de los primeros robots andantes y su contrapartida estática, llamada origami de ADN, por el arte japonés de hacer figuras de papel. Se trata de una superficie de ADN en la que, en lugar de dobles hélices, hay tiras simples. Desde el descubrimiento de esta doble hélice se sabe que la adenina (A) siempre se une a la timina (T) y que la guanina (G) se pega a la citosina (C). En 2006, el investigador Paul Rothemund, del Instituto Tecnológico de California demostró cómo crear estas planchas con tiras simples de ADN para que adopten cualquier forma deseada por sus creadores. Para demostrarlo creó un origami con la forma de América y otro con una cara sonriente. Las briznas de ADN de estos origamis componen una senda perfecta para que se muevan sobre ella los robots, cuyas patas están hechas de tiras complementarias a esas briznas.

Paso a paso

La nanoaraña de Stojanovic, descrita en el último número de Nature, tiene una sola proteína por cuerpo y cuatro patas de ADN. La primera le sirve para anclarse en el origami antes de dar el primer paso, y las otras tres le sirven para andar. El proceso está alimentado por la atracción natural de las tiras complementarias de ADN.

Primero, cada pata se une a su media naranja en la plancha de origami. Después, las enzimas que contienen cortan las uniones y las liberan. Luego buscan la próxima unión complementaria haciendo moverse al ingenio. Como los investigadores deciden dónde colocar cada brizna en la alfombra de origami, pueden controlar los movimientos de su criatura al detalle. Para hacerla parar colocan una brizna de ADN cuyas uniones no se pueden cortar.

"Por ahora no hay ninguna aplicación para estos robots, pero tenemos muchas esperanzas de que su capacidad para leer y escribir sobre estructuras sirva para reparar tejidos o construir nuevos aparatos electrónicos", explica Stojanovic.

La fábrica de Seeman necesita un componente más. Además de un robot andador y una alfombra de origami, incorpora cuatro máquinas de ADN. Cada una de ellas contiene dos tipos de nanopartículas de oro. Aunque no tienen patas, son capaces de rotar sobre ellas mismas. A su vez, el andador puede alcanzar cada uno de esos almacenes dando dos pasos. Para gobernarla, Seeman y su equipo añaden tiras complementarias de ADN al sistema, para hacer que cada almacén gire en la dirección correcta y aporte su carga al robot andador. El resultado es una factoría capaz de fabricar hasta ocho compuestos diferentes.
"Nos llevó unos tres años desarrollar todo el sistema", explica Seeman. "Ahora que sabemos cómo hacerlo, hasta un estudiante sin experiencia podría realizarlo en tres meses", añade.

"Han conseguido demostrar que este proceso es programable y que puedes decidir qué compuesto quieres fabricar", explica Paul Rothemund, inventor del origami de ADN. "Hemos demostrado cómo construir una fábrica para construir un coche", explica Seeman. "Ahora queremos hacer muchos más coches con la misma fábrica", añade.

Unidad de diagnóstico

El experto señala que lograr aumentar el tamaño de sus fábricas para que sean capaces de crear moléculas más grandes y hacer que funcionen es algo que está aún muy lejos. "Si lo conseguimos, podríamos crear una fábrica con su propio sistema diagnóstico de manera que pudiese detectar zonas dañadas y tratarlas al instante", explica. Si logran hacerlos funcionar como quieren, los investigadores se enfrentarán a un reto aún mayor: el cuerpo humano. Cualquier robot de este tipo sería "devorado" por el sistema inmunitario, predice Smith. "En último término, el objetivo es construir cosas tan complejas como una célula con todos sus pequeños componentes que han sido programados para fabricar diferentes compuestos", aventura Rothemund.

La mayoría de expertos en este campo es reticente a ponerle fecha a ese futuro de robots y circuitos orgánicos. Según Stojanovic, los primeros robots más elementales podrían llegar en una década. "Estamos hablando de aplicaciones tipo Star Trek, así que es posible que yo no llegue a ver funcionar los más complicados", confiesa.

Su existencia también plantea dilemas éticos. Si estos robots están hechos de ADN, ¿deberían ser considerados seres vivos? "Según mi definición sólo está vivo lo que se puede replicar", explica Lloyd. Estos robots no lo hacen, por ahora.

"Crearemos circuitos más rápidos"

Los expertos que trabajan con nanoestructuras de ADN quieren crear una nueva generación de chips. Su receta es un 50% de silicio, el compuesto usado normalmente, y un 50% de ADN. "Nuestro objetivo es usar estructuras tridimensionales de ADN para crear circuitos más pequeños y potentes que los electrónicos", explica Paul Rothemund, del Instituto Tecnológico de California. Para ello, usan capas de ADN llamadas origamis. Se les puede dar cualquier forma deseada y su funcionamiento químico podría emular el de un circuito. El problema es que, por ahora, los investigadores no han logrado fijar el ADN en silicio. "Cada vez que lo pones encima, la estructura se desbarata como una baraja de cartas", señala el experto. Su equipo, que trabaja en colaboración con IBM, está ahora probando unos "parches pegajosos" con los que ha conseguido fijar el ADN. Ahora intentarán conectarlos en línea para crear algo que funcione como un circuito convencional, pero a escala nanométrica

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