ARN autorreplicante: Del origen de la vida hasta aplicaciones biotecnológicas en medicina en sólo un mes

dibujo20090301hammerheadribozymeLos enzimas de ARN (llamadas “ribozimas” o “aptazimas”) son moléculas de ARN capaces de autorreplicarse a temperatura constante en ausencia de proteínas. Utilizan la llamada replicación cruzada, en la que dos enzimas se catalizan el uno al otro de forma mutua. Este proceso permite entender cómo surgió la vida, pero los biotecnólogos las usan para algo mucho más prosaico. Estos enzimas de ARN pueden ser utilizados para detectar una gran variedad de compuestos, incluyendo muchos relevantes en diagnóstico médico. El compuesto orgánico se liga al aptazima, que se replica exponencialmente, amplificando exponencialmente la concentración del compuesto hasta permitir que sea fácilmente detectado.

Nos lo cuentan Mika Ono, “Scripps research scientists develop general-purpose method for detecting trace chemicals,” y “General-purpose Method For Detecting Trace Chemicals Developed,” ScienceDaily, Feb. 25, 2009 , quien nos comentan el artículo técnico Bianca J. Lam, Gerald F. Joyce, “Autocatalytic aptazymes enable ligand-dependent exponential amplification of RNA,” Nature Biotechnology, Published online: 22 February 2009 , secuela biotecnológica del artículo de investigación “básica” de Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce, “Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme,” Science 323: 1229-1232, 27 February 2009 , donde se confirma la hipótesis del “mundo de ARN” de Francis Crick.

Hace más de 40 años, el Premio Nobel Francis Crick propuso que ciertas moléculas de ARN podían autorreplicarse como posible origen para la vida en la Tierra hace más de 4000 millones de años. La hipótesis del “mundo de ARN” se ha visto ratificada con el reciente descubrimiento de Lincoln y Joyce de enzimas de ARN autorreplicantes. Publicado en Science (online en enero, en papel hace pocos días).

Pero Joyce no está interesado en pasar a la historia por darle la razón a Crick. Quiere “vender” su descubrimiento y puede hacerlo. Trabaja en una organización de investigación biomédica sin ánimo de lucro, el Scripps Research Institute, La Jolla, California, creado en 1961 y que actualmente emplea a más de 3000 científicos. Apuesto a que Joyce guardaba una “carta bajo la manga.” Las moléculas de ARN que ha descubierto se pueden unir a moléculas orgánicas y cuando se autoreplican también copian a dichas moléculas orgánicas amplificando su número y permitiendo la medida precisa de su concentración. La ciencia básica suele tardar años en llegar al campo aplicado. En este caso, ha bastado como más de un mes. Sin lugar a dudas, creo no equivocarme si anticipo que este será uno de los 10 descubrimientos científicos de este año. Ya me contaréis en diciembre.

En palabras del propio autor:

“This technology could be used to measure drugs and metabolites in the body or to measure toxic compounds in soil or groundwater,” says Professor Gerald Joyce.

“The development of these RNA replicators provides researchers with a valuable new tool for detecting the presence of specific molecules and measuring their levels,” says Richard Ikeda. “There is tremendous potential for application of this technology in diagnostic, environmental, and chemical testing.”

Por cierto, para los interesados que no conozcan aún el mecanismo de autorreplicación y la molécula en liz, copio la figura del artículo de Science que muestra el proceso. En dos palabras: “sin palabras.”

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Gran sorpresa nanotribológica: La relación entre fuerza de fricción y área de contacto es lineal en la nanoescala

dibujo20090228contactbetweenamorphouscarbontipanddiamondsurfaceLa tribología es la ciencia de la fricción, el desgaste y la lubricación en el contacto entre superficies. A escala macroscópica se cumple la Ley del francés Guillaume de Amontons, formulada en 1699: la fuerza de fricción entre dos cuerpos es linealmente proporcional a la carga aplicada e independiente del área de contacto. Esta ley deja de ser válida en la microescala, pero qué pasa en la nanoescala (a escala atómica). La mayoría de los nanotribólogos pensaban que tampoco era cierta. La sorpresa la han dado investigadores de la Universidad de Wisconsin, en Madison, EEUU, quienes han demostrado mediante simulaciones por ordenador de dinámica molecular a gran escala que dicha ley también se cumple en la nanoescala. La fuerza de fricción depende linealmente del número de átomos que interactúan químicamente en el contacto entre ambas superficies. Si se define el área de contacto como proporcional a este número de átomos, la ley de Amontons se cumple con sorprendente exactitud. Conforme el área de contacto se reduce de la microescala a la nanoescala se produce una transición entre una dependencia no lineal a una estrictamente lineal entre la fuerza de fricción y la carga. El artículo técnico es Yifei Mo, Kevin T. Turner, Izabela Szlufarska, “Friction laws at the nanoscale,” Nature 457: 1116-1119, 26 February 2009 .

En la figura vemos un ejemplo de las simulaciones realizadas. Un contacto en forma de punta (redondeada) de carbono amorfo se desliza por la superficie (plana) de un cristal de diamante. Los átomos dorados son carbonos (C) y los rojos hidrógeno (H). En ambos materiales estos átomos están unidos por enlaces covalentes. Los enlaces rosados en la figura central corresponden a fuerzas repulsivas. El área de contacto “efectiva” (abajo) para que se cumpla la ley de Amontons se define como la suma del área “efectiva” (hexágonos grises) de cada átomo activo (círculos rojos) durante el contacto.

La mecánica de los medios continuos se aplica a las leyes de la fricción a nivel macroscópico gracias al concepto de rugosidad superficial. La mecánica continua no se puede aplicar en el mundo nanoscópico, dominado por las interacciones átomo a átomo. Sin embargo, la nueva definición del concepto de área de contacto “efectiva” o “instantánea” permite seguir utilizando la teoría de la rugosidad para medios continuos con completo éxito. Basta utilizar el concepto de “aspereza”, introducido originalmente por Hertz para modelar el contacto no adhesivo entre dos superficies homogéneas e isótropas formadas por esferas elásticas.

Más sobre nanotribología en español: “Proyecto TRIBO: La tribología entra en la era nanotecnológica,” Revista de la investigación europea, N° 39 – Noviembre 2003 . “Esta disciplina científica y tecnológica (que estudia la resistencia de los materiales a los frotamientos y al desgaste en cualquier sistema mecánico), poco conocida por los no especialistas, constituye un canal para la entrada de las nanotecnologías en la industria.”

Jacqueline Krim, “Rozamiento a escala atómica,” Investigación y Ciencia: 243 – diciemb re 1996 . “La nanotribología, el estudio del origen atómico del rozamiento, que los físicos habían venido ignorando, indica que esa fuerza nace de fuentes inesperadas, la energía del sonido entre ellas. (…) De acuerdo con las estimaciones, si se les prestase mayor atención al rozamiento y el desgaste los países desarrollados se ahorrarían hasta el 1,6 por ciento de sus productos nacionales brutos, nada menos que 116.000 millones de dólares en los Estados Unidos, sólo en 1995.”

Un diamante, el mejor amigo de una mujer y de un científico

dibujo20090301mostbeautifuldiamond84facetsUn diamante es para siempre (aunque en “Ciencia de bolsillo” no estén de acuerdo). Un diamante es un cristal de Carbono muy duro (pocos materiales lo rayan), aunque también muy frágil y no soporta altas temperaturas. En muchas aplicaciones científico-técnicas, esto es un gran inconveniente. ¿Cómo superarlo? Dopando el diamante hasta obtener un carburo, compuesto de carbono y un elemento menos electronegativo. Obviamente, no es fácil lograrlo, pero científicos franceses utilizando el European Synchrotron Radiation Facility, en Grenoble, han logrado sintetizar un carburo de boro cúbico (c-BC5). Este diamante dopado con boro es el que presenta el mayor contenido de boro logrado hasta la fecha. Comparado con el diamante, el nuevo material es algo menos duro, aunque su dureza a escala nanoscópica es muy similar, pero con la ventaja de que es mucho menos frágil. Por ello, este nuevo material podrá ser utilizado en superabrasivos y para aplicaciones electrónicas a alta temperatura. El artículo técnico es de Vladimir L. Solozhenko et al., “Ultimate Metastable Solubility of Boron in Diamond: Synthesis of Superhard Diamondlike BC5,” Phys. Rev. Lett. 102: Art. No. 015506, January 9, 2009 . Visto a través de Daniel Ucko, “Diamonds are a scientist’s best friend,” Physics, Feb 2009 .

Los científicos utilizan los diamantes para muchas cosas, entre ellas, para estudiar sólidos a altas presiones. Un diamante soporta unos 300 GPa (gigapascales). Esto es mucho, pero no suficiente. Los científicos necesitan presiones aún mayores para estudiar los materiales sólidos en el núcleo de los planetas gigantes (Júpiter o Saturno) donde se alcanzan presiones de más de 1 TPa (1000 gigapascales). Cómo desvelar este misterio. D. K. Bradley y sus colaboradores del Lawrence Livermore National Laboratory, EEUU, han desarrollado una técnica de compresión basada en una onda tipo rampa que permite estudiar un diamante a una presión de 800 GPa. Esta onda actúa sólo durante unos pocos nanosegundos, mucho más rápido que la onda térmica que provocaría que el diamante se derritiera. En este sentido, la onda comprime el sólido sin producir calor. Los autores creen que la técnica permite someter a un sólido hasta un pico de 1400 GPa. Nos lo cuentan en D. K. Bradley et al., “Diamond at 800 GPa,” Phys. Rev. Lett. 102: Art. No. 075503, February 18, 2009 .

En las aplicaciones tecnológicas de los diamantes, su baja estabilidad térmica a alta temperatura es un inconveniente enorme. ¿Se puede lograr un material tan duro como el diamante pero mucho más estable térmicamente? En 2007 se descubrió un nanocompuesto que contiene una mezcla de un nitruro de boro cúbico (el segundo material más duro tras el diamante) y wurtzita (una forma cristalina del sulfuro de zinc) que es tan duro como el diamante. ¿Por qué este material es tan duro? La razón es la indentación a escala atómica entre ambos compuestos, un 58% mayor que la del propio diamante. Se ha descubierto en el análisis teórico-computacional presentado en Zicheng Pan et al., “Harder than Diamond: Superior Indentation Strength of Wurtzite BN and Lonsdaleite,” Phys. Rev. Lett. 102: Art. No. 055503, February 6, 2009 .