Proteínas fotorreceptoras: materiales inteligentes para la electrónica del próximo milenio

Asunto: Las proteínas se pueden describir como "materiales inteligentes". A escala molecular muestran un comportamiento dinámico, una proeza todavía no conseguida por la tecnología. En particular, las proteínas fotorreceptoras son capaces de convertir directamente la luz en señal. Las aplicaciones técnicas en estudio que utilizan los mecanismos optoeléctricos de estas proteínas fotorreceptoras podrían satisfacer algunas de las cada vez más frecuentes demandas de las tecnologías de la información actuales.

Relevancia: Las tecnologías de la información, y la microelectrónica con ellas, seguirán siendo una de las más importantes áreas de crecimiento en las próximas décadas. La extrapolación de la tendencia actual a la disminución del tamaño, al aumento de la densidad de almacenamiento y a la bajada de los costes tropieza con obstáculos físicos. No obstante, algunos de estos obstáculos se podrían abordar haciendo uso de sistemas biológicos. Conceptos estratégicos de financiación que implican al mundo de la universidad y la industria, una formación más interdisciplinaria y la normalización podrían estimular estas prometedoras tecnologías interdisciplinarias.

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Introducción

La tendencia actual de las tecnologías de la información (TI) es disminuir las dimensiones hasta la escala macromolecular (nanométrica). Esto da lugar a mayores costes de producción y aumenta los efectos físicos que complicarán el diseño de los sistemas tecnológicos habituales. Por tanto, si las TI tienen que seguir avanzando en esta dirección, se beneficiarían de los materiales inteligentes que son capaces de ofrecer un rendimiento óptimo a partir de estructuras tan pequeñas.

Las proteínas son los obreros de la función celular. A nivel molecular intervienen en funciones de catálisis, generación de señales, protección y barrera. La evolución las ha hecho óptimas para ofrecer a escala molecular un rendimiento dinámico que las tecnologías actuales no han podido conseguir. Un reto importante para los ingenieros del siglo XXI es aprender de las construcciones inteligentes de la naturaleza y encontrar la forma de utilizar proteínas como unidades funcionales e incorporarlas a los dispositivos tecnológicos. El IPTS Report ya ha descrito el uso de proteínas en las tecnologías de biosensores (Demicheli, 1996), en las que las interacciones específicas de moléculas con proteínas se pueden utilizar para detectar, por ejemplo, glucosa en el diagnóstico de la diabetes o alcohol en los análisis farmacológicos.

Las proteínas fotorreceptoras son proteínas capaces de convertir la luz directamente en señal. Este proceso implica la formación de un dipolo eléctrico y va acompañado de un cambio de color de la proteína. Estas características optoeléctricas son las que permiten utilizarlas como "material inteligente". Durante los últimos 30 años, los bioquímicos han analizado en detalle la estructura y funcionamiento de estas proteínas. La bacteriorrodopsina (BR) es el ejemplo de proteína fotorreceptora mejor estudiado y tiene diversas aplicaciones técnicas, como se explica a continuación con más detalle.

La bacteriorrodopsina (BR) se encuentra en la membrana de algunas bacterias, donde absorbe luz y la convierte en energía celular para la bacteria. Estructuralmente es muy similar a la rodopsina, pigmento de la visión de los mamíferos. La proteína amarilla fotoactiva (PYP) también es una proteína bacteriana, con las mismas características fotocinéticas y fotocrómicas que la BR. Como la PYP es hidrosoluble, se adecúa mejor a aquellas situaciones en las que hay que utilizar un disolvente acuoso como medio óptico y en las que es necesario reducir al mínimo la dispersión de la luz.

Otras proteínas fotorreceptoras también pueden tener aplicaciones técnicas. En 1985, por ejemplo, Deisenhofer, Huber y Michel recibieron el Premio Nobel por haber determinado la estructura del centro activo de la reacción fotosintética. La proteína de la membrana es el sitio de la fotosíntesis donde la energía luminosa se convierte en energía electroquímica. Técnicamente es interesante debido a la rápida excitación y transferencia de electrones en las que interviene.

Aplicaciones técnicas de la bacteriorrodopsina (BR)

Cuando la BR absorbe la luz se producen una serie de cambios en la estructura de la proteína acompañados de una alteración de su color. Durante este proceso se transfiere una carga positiva desde el interior al exterior de la célula, lo que es fundamental para el posterior mecanismo de almacenamiento de energía en la bacteria. Diferentes aspectos del proceso de conversión de la luz se pueden utilizar por separado para diversas aplicaciones técnicas (Hampp, 1998):

Cuando se la ilumina, la BR transporta carga eléctrica en una dirección y produce energía electrostática. Este mecanismo tiene distintas aplicaciones técnicas potenciales en el campo de la tecnología fotovoltaica y es de esperar que en unos 10 años se puedan llevar a la práctica en forma de células fotovoltaicas basadas en el centro activo de la reacción fotosintética (Hampp, 1998), aunque los prototipos iniciales se prevén mucho antes (Nicolini, 1996).

La transferencia de carga originada por iluminación de la BR también se puede utilizar para generar una señal eléctrica. Esta propiedad fotoeléctrica se puede utilizar en los convertidores fotoeléctricos de imágenes, como los detectores de movimiento y las retinas artificiales. El desarrollo de los primeros prototipos se espera para dentro de 2-3 años (Hampp, 1998).

Durante el proceso de conversión de luz en energía, el cambio de color se realiza en varias etapas. Esta propiedad fotocrómica puede explotarse para moduladores de luz, en ensayos no destructivos de materiales y en monitores de alta resolución. En este campo, los prototipos ya se están perfeccionando y se encuentran a la espera de su salida al mercado (Hampp, 1998).

Las técnicas de ingeniería genética se pueden utilizar para estabilizar los dos estados naturales de la molécula de BR de forma que sea posible pasar de uno a otro utilizando luz de diferentes colores. Si asignamos valores binarios 0 y 1 a cada uno de los dos estados podría utilizarse un conjunto de moléculas de BR para almacenar datos. Como se pueden almacenar varias películas de BR unas sobre otras, se está intentando conseguir memorias 3D basadas en BR. El tamaño relativamente pequeño de la proteína podría traducirse en memorias basadas en BR que podrían ofrecer enormes capacidades de almacenamiento por unidad de volumen.

El futuro del `biochip¿

El `bioordenador¿ o `biochip¿, como lo llamaremos en este artículo, se refiere a un material semejante a un ordenador o a un chip, producido por un organismo vivo. Aunque este enfoque ofrece la posibilidad de un ahorro potencial significativo en coste y tamaño, aún está algo lejos de ser una realidad. La Agencia Japonesa de Planificación Económica anunció durante su programa nacional de tecnologías bioelectrónicas que no esperaba el primer `bioordenador¿ antes del 2020 (Ostasien-Institut, 1992).

Un grupo de la Universidad de Siracusa dirigido por el Profesor Birge está explorando el uso de la proteína fotorreceptora BR en memorias ópticas de tres dimensiones y en procesadores asociativos paralelos (Birge, 1992). Sin embargo, la viabilidad técnica todavía no está asegurada; muchos de los componentes ópticos clave que se necesitan todavía se encuentran en fase de desarrollo y la gestión de las propiedades físicas de la proteína que no se desea que aparezcan requiere soluciones técnicas complejas (Birge, 1997).

Con otros materiales orgánicos ya se han podido llevar a cabo las primeras etapas para la ejecución técnica de tecnologías informáticas con polímeros. Por ejemplo, Bell Labs de Canadá (AT&T/Lucent Technology I+D) ya reivindica haber producido transistores poliméricos (Bell Labs News, marzo 1998). Han estado trabajando en colaboración con una empresa noruega, Opticom ASA, que declara ser la primera empresa en haber creado una memoria y una arquitectura de procesos capaz de funcionar exclusivamente con componentes orgánicos (Opticom ASA, 1998). Los laboratorios de investigación de Philips en Holanda también han desarrollado satisfactoriamente circuitos integrados complejos compuestos únicamente por polímeros sobre placas flexibles (Drury et al., 1998). La simplicidad del proceso de fabricación en comparación con la litografía ordinaria de silicio promete en el futuro circuitos muy baratos. No obstante, las prestaciones de los circuitos compuestos totalmente por polímeros construidos hasta ahora son mucho menos impresionantes que las que se consiguen actualmente con las tecnologías basadas en silicio. Sin embargo, la velocidad y la potencia de cálculo no son esenciales para las aplicaciones de la electrónica plástica para las que se piensan utilizar. La combinación del coste potencialmente bajo y de la flexibilidad mecánica hace que estos materiales sean ideales para productos electrónicos desechables de elevado volumen, por ejemplo artículos de consumo y etiquetas para equipajes (Ziemelis, 1998). Para incrementar la conductividad de los polímeros se prevén diferentes soluciones técnicas que podrían llevarse a cabo en los próximos 5 o 10 años. Aún así queda la cuestión de si estos sistemas poliméricos podrán actuar de forma comparable a como lo hagan para entonces los sistemas basados en silicio.

Actividades internacionales de I+D en el área de la bioelectrónica basada en proteínas

En Europa, los investigadores trabajan actualmente en el desarrollo de dispositivos bioelectrónicos/bioeléctricos basados en proteínas fotorreceptoras. Un grupo de investigación de la Universidad de Marburg, bajo la dirección del Profesor Hampp y con financiación del Ministerio de Educación, Ciencia, Investigación y Tecnología alemán, está consiguiendo avances en sistemas basados en BR, en colaboración con biotecnólogos (Prof. D. Oesterhelt, Instituto Max Planck de Bioquímica de Martinsried) e ingenieros mecánicos (industria). Hasta la fecha han conseguido varios dispositivos eléctricos basados en BR entre los que se encuentran dispositivos de reconocimiento holográfico, interferómetros holográficos para ensayos no destructivos de materiales cerámicos y monitores de alta resolución.

En Italia se está llevando a cabo un programa de investigación en el campo de la bioelectrónica dirigido por la Fundación El.B.A. (Electrónica y Biotecnología Avanzadas). Este organismo surgió del programa nacional de tecnologías bioelectrónicas (Polo Nazionale Bioeletronica, PNB) en colaboración con la Academia de Ciencias de Rusia y el Instituto Jefferson para el Cáncer de Filadelfia, Estados Unidos. El El.B.A. ha obtenido éxitos en sus proyectos de microelectrónica y biotecnología, pero con el fin de mejorar sus resultados se creó un Parque Científico y Tecnológico en la Isla de Elba bajo la dirección del Prof. Nicolini, y actualmente trabaja extensamente con industrias a nivel internacional, en dispositivos basados en proteínas fotorreceptoras para monitores, detectores de movimiento y células fotovoltaicas.

Gracias a la preocupación de Japón por mantener su posición internacional dominante como productor de dispositivos electrónicos, el programa `Biosensor, Biodevice and Biocomputer¿ se convirtió en 1986 en el principal programa nacional de I+D del Ministerio de Industria y Economía Internacional (MITI) (Ostasien-Institut, 1992). Aunque el programa especial del MITI terminó en 1996, la industria todavía lleva a cabo actividades de I+D en el campo de la bioelectrónica. Los datos de solicitud de patentes indican que Fujitsu y Sanyo Electric Co., por ejemplo, trabajan en el desarrollo de electrónica basada en BR.

En Estados Unidos, el organismo para los proyectos de investigación avanzada en defensa (DARPA, Defence Advanced Research Projects Agency) ha concedido diversas ayudas a las pequeñas empresas para investigación innovadora en sistemas basados en BR. En los últimos 6 años, estas ayudas fueron concedidas a ocho PYME, que colaboran en estos proyectos con grupos de investigación de universidades americanas. Los temas de los proyectos incluyen lentes protectoras antirrayos láser, moduladores espaciales de luz, cámaras holográficas de alta velocidad, interferómetros para seguimiento en tiempo real del crecimiento de cristales y memorias ópticas en 3D (Base de datos DARPA).

Comercialización y medidas necesarias

Hay una serie de características técnicas que dotan a los dispositivos electrónicos basados en proteínas fotorreceptoras de ventajas sobre las tecnologías ordinarias. En el caso de la BR, como ejemplo de proteína fotorreceptora, son:

El hecho de que las propiedades optoelectrónicas de la BR sean reversibles implica la posibilidad de ciclos de escritura/lectura/borrado y duración superiores en muchos órdenes de magnitud a los de los pigmentos sintéticos.

Las proteínas fotorreceptoras son de tamaño nanométrico. Además, las proteínas fotorreceptoras están reguladas por la luz, lo que las dota de la ventaja de que a los fotones (emisión luminosa) se les puede hacer converger a mayores densidades que las corrientes eléctricas. Estos dos factores juntos permiten obtener una mayor resolución para utilizarla en monitores, reconocimiento de muestras, detectores luminosos y ensayos no destructivos de materiales. Para el almacenamiento de datos, el pequeño tamaño de las moléculas de BR haría posible la creación de memorias con enorme capacidad basadas en BR.

Como la BR se encuentra en agrupaciones en la membrana bacteriana (en forma de cristales bidimensionales de proteína) es fácil incorporarla en películas poliméricas técnicamente utilizables. Esto simplifica la producción y disminuye los costes de fabricación de los biochips así obtenidos. Además, ya se ha conseguido mejorar la producción de BR mediante el crecimiento de bacterias productoras de BR en fermentadores de 10 m3, lo que permite la producción de cientos de gramos de proteína.

Los materiales basados en proteínas fotorreceptoras son no sólo flexibles, sino que también son no tóxicos y reciclables. En microelectrónica, por ejemplo, se está estudiando la bacteriorrodopsina como elemento matriz funcional en una nueva tecnología microestructural no tóxica para sustancias a base de silicio o para circuitos integrados.

A corto y medio plazo ya se puede prever el desarrollo técnico de una serie de sistemas basados en BR. Estos sistemas utilizan la separación de cargas iniciada por la luz en BR (que se aplica, por ejemplo, a células fotovoltaicas) o la conversión de luz en señales eléctricas que realiza la BR (que se aplica, por ejemplo, a convertidores fotoeléctricos de imágenes). No obstante, sólo la comparación con los rendimientos de las tecnologías existentes, una vez que los prototipos de tales dispositivos estén perfeccionados, probará sus posibilidades en el mercado. Además, las tecnologías objeto de comparación suelen estar basadas en principios físicos bastante diferentes, por lo que se deben establecer normas sobre qué parámetros se pueden utilizar para comparar sus rendimientos de forma efectiva.

Ya se han conseguido prototipos de dispositivos electrónicos basados en la BR que utilizan las propiedades fotocrómicas de BR (es decir, el hecho de que cambia de color al iluminarla) y ahora tienen que someterse a la prueba del mercado. Un ejemplo de ejecución técnica satisfactoria de un sistema basado en BR es un monitor de alta resolución que consigue una resolución de 100 líneas por mm, comparado con las 4 líneas por mm que ofrecen los monitores convencionales. Estos monitores BR son muy adecuados para la telemedicina, donde es muy importante obtener imágenes de alta resolución y contrastes bien definidos para el diagnóstico (Hampp, 1998).

Es evidente, sin embargo, que la introducción satisfactoria en el mercado de una nueva tecnología prometedora depende no sólo de su carácter innovador, sino también de un proceso de comercialización adecuado. Con frecuencia, las tecnologías han fracasado comercialmente porque no se ha tenido éxito para convencer a los mercados de los beneficios que se obtienen al ajustarse a tecnologías nuevas. Una clave para lograrlo es que los creadores del sistema colaboren en el desarrollo de la nueva tecnología con la industria a la que va dirigida. Los buenos resultados del equipo de Marburg al conseguir un interferómetro holográfico BR para ensayos no destructivos de materiales cerámicos en colaboración con un fabricante de cerámica son un buen ejemplo. La financiación del proyecto por parte del Gobierno se repartió entre un equipo de biotecnólogos, ingenieros mecánicos e informáticos que trabajó en el perfeccionamiento del prototipo, y un fabricante de cerámica, que llevó a cabo los ensayos industriales y el ajuste entre el interferómetro nuevo y el sistema. Así se aseguró la creación de una tecnología importante para el mercado de forma adecuada para la industria a la que va dirigida, ampliando la aceptación de la nueva tecnología en los mercados objetivo.

Con el fin de estimular estos nuevos desarrollos tecnológicos, en Japón ya están organizando la formación en bioelectrónica. El Consejo de la Ciencia de Japón está fomentando medidas para garantizar que la bioelectrónica sea una asignatura en los cursos universitarios avanzados. Además, el Instituto de Tecnología de Tokio imparte desde 1988 un curso nuevo de Bioelectrónica en la facultad de biotecnología. Así se garantiza una difusión más amplia del conocimiento sobre biomateriales entre los ingenieros (Ostasien-Institut, 1992). No obstante, se podría cuestionar si son necesarios programas educativos específicos sobre bioelectrónica, o si para la transferencia de conocimiento sería suficiente una estrecha cooperación interdisciplinaria en los respectivos programas de investigación.

Como nota final, debería mencionarse que en este nuevo campo interdisciplinar, en la interfaz entre la electrónica, la informática y la biología, la nomenclatura es aún un serio obstáculo para una comunicación eficiente. La definición de términos como bioinformática, biocomputación y biochip varía enormemente. Para evitar malentendidos y crear un lenguaje científico especializado, sería muy beneficioso que una organización oficial pudiera establecer definiciones claras para el amplio abanico de nuevos conceptos interdisciplinarios. Como ejemplo hemos propuesto una definición para biochip como un chip que incorpora material producido por una célula viva y que funciona acorde con su función biológica.

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Palabras clave

bioelectrónica, proteínas fotorreceptoras, competencia internacional, normalización

Referencias

Demicheli, M., The IPTS Report, julio 1996.

Hampp, N., comunicación personal, 1998.

Nicolini, C., Supramolecular architecture and molecular bioelectronics, Thin Solid Films 284-285, 1-5. y comunicación personal, 1996.

Drury, D. J., Mutsaers, C.M.J., Hart, C.M., Matters, M. y de Leeuw, D.M., Applied Physics Letters, en prensa, 1998.

Opticom ASA, informe de la empresa, 1998.

Ziemelis, K., Putting it on plastic, Nature 393, 619-620, 1998.

Birge, R., Protein-based optical computing and memories, Computer, 56-67, 11/1992.

Birge, R. R., Parsons, B., Song, Q. W. y Tallent, J. R., Protein-based three-dimensional memories and associative processors, Molecular Electronics, Blackweel Science Ltd., Oxford, págs. 439-471, 1997.

Ostasien-Institut E.V., Bioelektronik in Japan, Informe de investigación japonés ("Zwischenbericht"), 1992.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer al Prof. Norbert Hampp (Universidad de Marburg), al Prof. Claudio Nicolini (Universidad de Génova), al Dr. Christiane Ziegler (Universidad de Tübingen) y al Dr. Gerd Bachmann (VDI) su información y ayuda. También quieren dar las gracias al Dr. Helmut Bernt (Instituto Fraunhofer de Tecnología del Silicio), al Dr. Siegmar Roth (Instituto Max-Planck del Estado Sólido de Stuttgart) y al Prof. Dietrich Haarer (Bayer AG) por su valioso asesoramiento.

Contactos

Petra Düx, VDI

Prof. Dr. Klaas J. Hellingwerf, Universidad de Amsterdam

Tel.: +49 211 6214 456, fax: +49 211 6214 484, correo electrónico: duex@vdi.de

Sobre los autores

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El Profesor Hellingwerf estudió química en la Universidad de Groningen y se graduó en la Universidad de Amsterdam en bioquímica, especializándose en la caracterización funcional de la bacteriorrodopsina. En 1978 fue designado profesor asesor de microbiología en la Universidad de Groningen y el 1 de enero de 1988 fue nombrado profesor de microbiología general en la Universidad de Amsterdam, en la que supervisa el grupo de investigación que estudia la transducción de señales en microorganismos, en particular en las que intervienen las proteínas fotorreceptoras.

Petra Düx es consultora en el Centro de Tecnología VDI de Düsseldorf (Alemania). Trabaja en el campo de la prospección tecnológica en tecnologías físicas y biofísicas. Es diplomada en física por la Universidad de Heidelberg y doctora en química por la Universidad de Utrecht, Holanda.