La doble hélice del ADN es uno de los símbolos más emblemáticos de la ciencia. Imitando la estructura de esta compleja molécula genética hemos encontrado una manera para hacer fibras musculares artificiales mucho más poderosas que las que se encuentran en la naturaleza, con aplicaciones potenciales en muchos tipos de maquinaria en miniatura, como manos protésicas y dispositivos robóticos diestros.
El poder de la hélice
El ADN no es la única hélice de la naturaleza. Hojee cualquier libro de texto de biología y verá hélices en todas partes desde el hélice alfa formas de proteínas individuales a las hélices «en espiral» de conjuntos de proteínas fibrosas como bordillo en el cabello.
Algunas bacterias, como espiroquetas, adoptar formas helicoidales. Incluso el paredes celulares de plantas puede contener fibras de celulosa dispuestas helicoidalmente.
El tejido muscular también está compuesto de proteínas envueltas helicoidalmente que forman filamentos delgados. Y hay muchos otros ejemplos que plantean la cuestión de si la hélice otorga una ventaja evolutiva particular.
Muchas de estas estructuras helicoidales que ocurren naturalmente están involucradas en hacer que las cosas se muevan, como el apertura de vainas de semillas y el retorcimiento de troncos, lenguas y tentáculos. Estos sistemas comparten una estructura común: fibras orientadas helicoidalmente incrustadas en una matriz blanda que permite acciones mecánicas complejas como doblar, torcer, alargar y acortar o enrollar.
Esta versatilidad para lograr cambios de forma complejos puede indicar la razón de la prevalencia de las hélices en la naturaleza.
Fibras en un giro
Hace diez años, mi trabajo con los músculos artificiales me llevó a pensar mucho en las hélices. Mis colegas y yo descubrimos una forma sencilla de hacer poderosas fibras musculares artificiales giratorias simplemente retorciendo hilos sintéticos.
Estas fibras de hilo podrían girar al desenroscarse cuando expandimos el volumen del hilo calentándolo, haciéndolo absorber pequeñas moléculas o cargándolo como una batería. El encogimiento de la fibra hizo que las fibras se retorcieran.
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Nosotros demostrado que estas fibras podrían hacer girar un rotor a velocidades de hasta 11.500 revoluciones por minuto. Si bien las fibras eran pequeñas, demostramos que podían producir tanto par por kilogramo como los motores eléctricos grandes.
La clave era asegurarse de que los filamentos dispuestos helicoidalmente en el hilo fueran bastante rígidos. Para adaptarse a un aumento de volumen general en el hilo, los filamentos individuales deben estirarse en longitud o desenroscarse. Cuando los filamentos son demasiado rígidos para estirarse, el resultado es que el hilo se desenrolla.
Aprendiendo del ADN
Más recientemente, me di cuenta de que las moléculas de ADN se comportan como nuestros hilos desenrollados. Biólogos estudiando moléculas de ADN individuales demostró que el ADN de doble hebra se desenrolla cuando se trata con pequeñas moléculas que se insertan dentro de la estructura de doble hélice.
La columna vertebral del ADN es una cadena rígida de moléculas llamadas fosfatos de azúcar, por lo que cuando las pequeñas moléculas insertadas separan las dos hebras de ADN, la doble hélice se desenrolla. Los experimentos también mostró que, si los extremos del ADN están atados para evitar que giren, el desenrollado conduce a un «superenrollamiento»: la molécula de ADN forma un bucle que se envuelve a sí misma.
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De hecho, las proteínas especiales inducen superenrollamiento coordinado en nuestras células para empaquetar moléculas de ADN en el núcleo diminuto.
También vemos el superenrollamiento en la vida cotidiana, por ejemplo, cuando una manguera de jardín se enreda. Torcer cualquier fibra larga puede producir un superenrollamiento, lo que se conoce como «gruñido» en el procesamiento de textiles o «torcido» cuando los cables se enganchan.
Superenrollamiento para «músculos artificiales» más fuertes
Nuestros últimos resultados muestran Superenrollamiento similar al ADN puede ser inducida por el hinchamiento de fibras textiles pre-retorcidas. Hicimos fibras compuestas con dos hilos de coser de poliéster, cada uno recubierto con un hidrogel que se hincha cuando se moja y luego el par se trenza.
Hinchar el hidrogel sumergiéndolo en agua hizo que la fibra compuesta se desenroscara. Pero si los extremos de la fibra se sujetaban para dejar de desenrollarse, la fibra comenzaba a superenrollarse.
Como resultado, la fibra se contrajo hasta en un 90% de su longitud original. En el proceso de contracción, realizó un trabajo mecánico equivalente a producir 1 julio de energía por gramo de fibra seca.
A modo de comparación, las fibras musculares de mamíferos como nosotros solo se encogen en aproximadamente un 20% de su longitud original y producen una producción de trabajo de 0,03 julios por gramo. Esto significa que se puede lograr el mismo esfuerzo de elevación en una fibra superenrollable que tiene un diámetro 30 veces menor en comparación con nuestros propios músculos.
¿Por qué músculos artificiales?
Los materiales de músculos artificiales son especialmente útiles en aplicaciones donde el espacio es limitado. Por ejemplo, el último motor impulsado manos protésicas son impresionantes, pero actualmente no igualan la destreza de una mano humana. Se necesitan más actuadores para replicar el rango completo de movimiento, los tipos de agarre y la fuerza de un ser humano sano.
Los motores eléctricos se vuelven mucho menos potentes a medida que se reduce su tamaño, lo que los hace menos útiles en prótesis y otras máquinas en miniatura. Sin embargo, los músculos artificiales mantienen un alto rendimiento de trabajo y potencia a pequeñas escalas.
Para demostrar sus posibles aplicaciones, utilizamos nuestras fibras musculares superenrolladoras para abrir y cerrar pinzas en miniatura. Tales herramientas pueden ser parte de la próxima generación de cirugía no invasiva o sistemas quirúrgicos robóticos.
Los investigadores han introducido muchos tipos nuevos de músculos artificiales durante la última década. Esta es un área de investigación muy activa impulsada por la necesidad de dispositivos mecánicos miniaturizados. Si bien se han logrado grandes avances, todavía no tenemos un músculo artificial que se adapte completamente al rendimiento del músculo natural: grandes contracciones, alta velocidad, eficiencia, larga vida útil, funcionamiento silencioso y seguro para su uso en contacto con humanos.
Los nuevos músculos superenrollables nos acercan un paso más a este objetivo al introducir un nuevo mecanismo para generar contracciones muy grandes. Actualmente, nuestras fibras operan lentamente, pero vemos vías para aumentar en gran medida la velocidad de respuesta y este será el foco de la investigación en curso.
Este artículo de Geoff Spinks, Profesor principal, Instituto Australiano de Materiales Innovadores, Universidad de Wollongong, Universidad de Wollongong, Se vuelve a publicar de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.