ohNuestros cuerpos están llenos de señales eléctricas que nos permiten contraer músculos y sentir el mundo. El complejo cerebro orquesta estos procesos, pero resulta que incluso entidades biológicas más simples generan electricidad. En un nuevo estudio publicado en Materiales avanzadoslos investigadores informaron que un virus diseñado mediante bioingeniería generaba electricidad cuando se exponía al calor, un fenómeno conocido como piroelectricidad.1 Al trabajar con virus, los investigadores esperan comprender mejor la bioelectricidad en el cuerpo humano y aplicar este conocimiento para impulsar nuevos biomateriales.
El estudio de la bioelectricidad se remonta al siglo XVIII, cuando Luigi Galvani descubrió que la estimulación eléctrica provocaba contracción muscular en ranas.2 “Pero aún así, no entendemos cómo ocurre realmente este fenómeno bioeléctrico a nivel molecular”, dijo Seung Wuk Leebioingeniero de la Universidad de California, Berkeley, y coautor del artículo.
El bacteriófago M13, un virus con forma de bastón que infecta bacterias, está adornado con una capa molecular, tejida a partir de casi 3.000 copias de una proteína helicoidal. La proteína está cargada positivamente en el interior y negativamente en el exterior, pero la disposición de la gruesa capa de proteína equilibra las cargas.
Hace más de una década, el equipo de investigación de Lee apretó las proteínas de la cubierta, lo que provocó que el bacteriófago exhibiera piezoelectricidad—la capacidad de transformar la fuerza mecánica en electricidad.3 Cuando los investigadores aplicaron presión a los virus, las proteínas de la cubierta cambiaron de forma, rompiendo la simetría de la carga y polarizándose, lo que generó un campo eléctrico e indujo una corriente.
En su nuevo estudio, los investigadores abordaron si podrían usar calor de manera similar para cambiar la carga y generar electricidad. Editaron el código genético de los virus para incluir una secuencia de proteína específica que se siente atraída por el níquel. De esta manera, los virus se unirían y permanecerían erguidos sobre una fina placa recubierta de níquel, como una manzana de rascacielos. Luego, bombardearon estas ciudades virales con calor, ya sea con fuego o con un láser. A medida que las proteínas se derritieron y se desplegaron, sus cargas se desequilibraron, generando voltaje. “El calor indujo un cambio de polarización, y el cambio de polarización indujo el potencial eléctrico”, dijo Lee.
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Aunque la proteína helicoidal natural produce algo de piroelectricidad, los investigadores querían ver si podían darle a la molécula algo de chispa adicional. Para ello, alteraron genéticamente el bacteriófago para añadirle una cadena de glutamatoun bloque de construcción de proteínas cargado negativamente, en el exterior de la proteína de la cubierta.1,4 Cuando los investigadores aumentaron la temperatura, el glutamato añadido amplificó el cambio de polarización, más del doble de la piroelectricidad de la proteína normal.
“El hecho mismo de que puedan mutar genéticamente el virus y hacerlo piroeléctrico es un trabajo fascinante”, dijo Syed Tofailfísico de la Universidad de Limerick que no participó en el estudio.
Para demostrar las aplicaciones prácticas de su virus sobrealimentado, el equipo de Lee generó firmas eléctricas que señalan la presencia de sustancias químicas peligrosas. Para ello, diseñaron la cubierta proteica para que se uniera al xileno. Luego, cuando bombardearon con calor los bacteriófagos, las proteínas cambiaron de forma y produjeron más electricidad. Al detectar esta diferencia en la electricidad, los autores dicen que los virus podrían actuar como biosensores de gases nocivos.
“Actualmente, la aplicación más exitosa de la piroelectricidad es en los sensores piroeléctricos”, dijo Tofail, y agregó que los sensores piroeléctricos están hechos con plomo o litio, por lo que los materiales biológicos son atractivos porque ofrecen un material más sostenible.
Si bien el voltaje que los investigadores detectaron al calentar los virus fue pequeño, planean aumentar el virus para alimentar dispositivos electrónicos más complejos. Dado que los virus M13 se autoreplican, los científicos pueden aumentar el número total de virus y “podemos amplificar la electricidad de manera similar”, dijo Lee. “Es una gran motivación”.
Referencias
- Kim H, et al. Piroelectricidad basada en virus. Maestro Adv. 2023;35(46):e2305503.
- Piccolino M. Luigi Galvani y la electricidad animal: dos siglos después de la fundación de la electrofisiología. Tendencias Neurociencia. 1997;20(10):443-448.
- Lee BY, et al. Generación de energía piezoeléctrica basada en virus.. Nanotecnología Nat. 2012;7(6):351-356.
- Lee JH, et al. Autoensamblaje vertical de nanoestructura de fagos polarizados para recolección de energía. Nano Lett. 2019;19(4):2661-2667.