El óxido nítrico es una molécula de señalización importante en el cuerpo, con un papel en la construcción de conexiones del sistema nervioso que contribuyen al aprendizaje y la memoria. También funciona como un mensajero en los sistemas cardiovascular e inmune.
Pero ha sido difícil para los investigadores estudiar exactamente cuál es su papel en estos sistemas y cómo funciona. Debido a que es un gas, no ha habido una forma práctica de dirigirlo a células individuales específicas para observar sus efectos.Ahora, un equipo de científicos e ingenieros en el MIT y en otros lugares ha encontrado una manera de generar el gas en ubicaciones específicas dentro del cuerpo, abriendo potencialmente nuevas líneas de investigación sobre los efectos de esta molécula esencial.
Los hallazgos se informan en la revista Nanotecnología de la naturaleza en un documento de las profesoras del MIT Polina Anikeeva, Karthish Manthiram y Yoel Fink; estudiante de posgrado Jimin Park; postdoctorado Kyoungsuk Jin; y otros 10 en el MIT y en Taiwán, Japón e Israel.
"Es un compuesto muy importante", dice Anikeeva. Pero descubrir las relaciones entre la entrega de óxido nítrico a células y sinapsis particulares, y los efectos de alto nivel resultantes en el proceso de aprendizaje ha sido difícil. Hasta ahora, la mayoría de los estudioshemos recurrido a la observación de los efectos sistémicos al eliminar los genes responsables de la producción de enzimas que el cuerpo usa para producir óxido nítrico donde se necesita como mensajero.
Pero ese enfoque, dice ella, es "fuerza muy bruta. Esto es un martillo para el sistema porque lo estás noqueando no solo de una región específica, digamos en el cerebro, sino que esencialmente lo eliminas del sistemaorganismo completo, y esto puede tener otros efectos secundarios ".
Otros han intentado introducir compuestos en el cuerpo que liberan óxido nítrico a medida que se descomponen, lo que puede producir efectos algo más localizados, pero estos aún se extienden, y es un proceso muy lento e incontrolado.
La solución del equipo utiliza un voltaje eléctrico para impulsar la reacción que produce óxido nítrico. Esto es similar a lo que está sucediendo a una escala mucho mayor con algunos procesos de producción electroquímicos industriales, que son relativamente modulares y controlables, lo que permite locales y bajo demandasíntesis química. "Tomamos ese concepto y dijimos, ¿sabes qué? Puedes ser tan local y tan modular con un proceso electroquímico que incluso puedes hacer esto a nivel de la célula", dice Manthiram. "Y creoLo que es aún más emocionante de esto es que si usa el potencial eléctrico, tiene la capacidad de comenzar la producción y detener la producción en un instante ".
El logro clave del equipo fue encontrar la manera de que este tipo de reacción controlada electroquímicamente se operara de manera eficiente y selectiva a nanoescala. Eso requería encontrar un material catalizador adecuado que pudiera generar óxido nítrico a partir de un material precursor benigno. Descubrieron que el nitrito ofrecíaun precursor prometedor para la generación electroquímica de óxido nítrico.
"Se nos ocurrió la idea de hacer una nanopartícula a medida para catalizar la reacción", dice Jin. Descubrieron que las enzimas que catalizan la generación de óxido nítrico en la naturaleza contienen centros de hierro-azufre. Inspirándose en estas enzimas, idearon uncatalizador que consistía en nanopartículas de sulfuro de hierro, que activa la reacción productora de óxido nítrico en presencia de un campo eléctrico y nitrito. Al dopar aún más estas nanopartículas con platino, el equipo pudo mejorar su eficiencia electrocatalítica.
Para miniaturizar la célula electrocatalítica a la escala de las células biológicas, el equipo ha creado fibras personalizadas que contienen los microelectrodos positivos y negativos, que están recubiertos con nanopartículas de sulfuro de hierro y un canal microfluídico para el suministro de nitrito de sodio, el material precursorCuando se implantan en el cerebro, estas fibras dirigen el precursor a las neuronas específicas. Luego, la reacción se puede activar a voluntad electroquímicamente, a través de los electrodos en la misma fibra, produciendo una explosión instantánea de óxido nítrico justo en ese punto para que sus efectosse puede grabar en tiempo real
Como prueba, utilizaron el sistema en un modelo de roedor para activar una región del cerebro que se sabe que es un centro de recompensa para la motivación y la interacción social, y que desempeña un papel en la adicción. Mostraron que efectivamente provocó lo esperadoSeñalando respuestas, demostrando su efectividad.
Anikeeva dice que esto "sería una plataforma de investigación biológica muy útil, porque finalmente, las personas tendrán una forma de estudiar el papel del óxido nítrico a nivel de células individuales, en organismos completos que realizan tareas". Señala queHay ciertos trastornos que están asociados con las interrupciones de la vía de señalización de óxido nítrico, por lo que los estudios más detallados sobre cómo funciona esta vía podrían ayudar a llevar a tratamientos.
El método podría ser generalizable, dice Park, como una forma de producir otras moléculas de interés biológico dentro de un organismo. "Esencialmente ahora podemos tener esta forma realmente escalable y miniaturizada para generar muchas moléculas, siempre y cuando encontremos el catalizador apropiado, y siempre que encontremos un compuesto de partida apropiado que también sea seguro ". Este enfoque para generar moléculas de señalización in situ podría tener amplias aplicaciones en biomedicina, dice.
"Uno de nuestros revisores para este manuscrito señaló que esto nunca se ha hecho: la electrólisis en un sistema biológico nunca se ha aprovechado para controlar la función biológica", dice Anikeeva. "Entonces, esto es esencialmente el comienzo de un campo quepotencialmente podría ser muy útil "para estudiar moléculas que pueden administrarse en lugares y tiempos precisos, para estudios en neurobiología o cualquier otra función biológica. Esa capacidad de producir moléculas bajo demanda dentro del cuerpo podría ser útil en campos como la inmunología o la investigación del cáncer, ella dice.
El proyecto comenzó como resultado de una conversación casual entre Park y Jin, que eran amigos que trabajaban en diferentes campos: neurobiología y electroquímica. Sus discusiones casuales iniciales terminaron llevando a una colaboración total entre varios departamentos. Pero enEl mundo cerrado de hoy, dice Jin, tales encuentros y conversaciones casuales se han vuelto menos probables ". En el contexto de cuánto ha cambiado el mundo, si esto fuera en esta era en la que estamos todos separados, y noen 2018, existe la posibilidad de que esta colaboración nunca haya sucedido "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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