Como un albatros que busca vainas de calamares en un vasto océano, las moléculas en superficies sólidas se mueven en un patrón de búsqueda intermitente que proporciona la máxima eficiencia, según una nueva investigación de la Universidad de Colorado Boulder.
Si bien este comportamiento se había propuesto teóricamente, los investigadores de CU-Boulder han realizado las primeras observaciones experimentales de este fenómeno, proporcionando una puerta de entrada para posibles mejoras en campos que van desde el diagnóstico médico hasta la producción química.
"Las tecnologías de vanguardia, como los dispositivos de laboratorio en un chip y los biosensores, se basan en moléculas que interactúan de manera rápida y eficaz con los objetivos que buscan", dijo el profesor Daniel Schwartz del Departamento de Ingeniería Química y Biológica.entendiendo exactamente lo que está sucediendo a nivel molecular, podemos mejorar o diseñar tecnologías que operen más rápido y de manera más eficiente. Los posibles resultados podrían incluir una respuesta más sólida a los marcadores de enfermedades, una técnica menos derrochadora para la producción química comercial o cualquier número de otros avances ".
La investigación, realizada por Schwartz y Jon Monserud, candidato a doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica, se publicó recientemente en la revista Cartas de revisión física .
En la naturaleza y la sociedad, todo, desde animales depredadores hasta barcos en busca de submarinos, ha desarrollado estrategias de búsqueda en las que las búsquedas lentas y localizadas se alternan con movimientos largos sin búsqueda para explorar vastas áreas donde los objetivos son escasos, dijo Schwartz. Cuando la presa es abundante,un método simple de caminar al azar es una mejor manera de hacer conexiones.
Los investigadores se preguntaron si las moléculas se comportarían de la misma manera.
Para examinar la teoría, los investigadores utilizaron el seguimiento de una sola molécula para observar directamente el proceso de búsqueda de ADN en superficies decoradas con ADN complementario y presenciaron períodos de cámara lenta puntuados por saltos rápidos a través de una fase líquida adyacente.
Al medir cuánto tiempo le tomó a cada molécula encontrar su objetivo, los investigadores determinaron que las partículas diminutas de hecho estaban usando las mismas técnicas de alimentación de vuelo intermitente que un tiburón cazando presas o una abeja buscando néctar. Esta estrategia les permitió encontrarobjetivos más de 10 veces más rápido de lo que lo hubieran hecho con una simple búsqueda aleatoria.
"Es una coincidencia increíble que las moléculas estén exhibiendo los mismos métodos contrarios a la intuición que los animales y los humanos han evolucionado o elegido usar", dijo Monserud. "Podemos aprovechar esta coincidencia para mejorar una amplia gama de tecnologías".
En el campo médico, por ejemplo, las pruebas de detección de decenas de enfermedades se basan en biomarcadores como anticuerpos o ADN mutado que reacciona a las moléculas de la sonda en las superficies para informar a los médicos de la presencia o gravedad de una enfermedad.
Los investigadores demostraron que las moléculas buscaban más rápidamente en superficies hidrófobas, lo que indica que los desarrolladores de biosensores de ADN podrían beneficiarse de adaptar sus productos de diagnóstico para tener superficies más aversas al agua. Los hallazgos pueden resultar en diagnósticos más rápidos, atención médica personalizada y, potencialmente,mejores resultados para los pacientes.
Los hallazgos también podrían optimizar la producción industrial para reducir la energía, el tiempo, los materiales y los costos. En muchos procesos industriales, las materias primas se convierten en combustibles, productos farmacéuticos o productos para el cuidado personal a través de reacciones químicas y luego se separan de los desechos restantes. Ambas reaccionesy los procesos de purificación requieren moléculas para escanear superficies y unirse a objetivos a través del mismo comportamiento de búsqueda intermitente.
"En cierto sentido, nuestros hallazgos ayudan a explicar por qué estas tecnologías funcionan tan bien como lo hacen", dijo Schwartz. "Pero además, desarrollar esta comprensión puede ayudarnos a diseñar tecnologías aún mejores, ya que, hasta ahora, la gente siempre ha asumidoque las moléculas buscaron de una manera diferente ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Colorado en Boulder . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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