El uso del virus del mosaico del tabaco (TMV) en la nanotecnología

Los nanomateriales se encuentran muy de moda en nuestros días por sus grandes y prácticas aplicaciones tecnológicas, sin embargo, aún siguen siendo muy costosos debido a que los compuestos usados para producirlos, tal como el fullereno o el grafeno. Buscar nuevos compuestos que permitan reducir los costos sin dudas impulsará la industria nanotecnológica.

Pero, ¿por qué no buscarlo en los mismos seres vivos? La naturaleza ofrece una gran variedad de estructuras complejas y resistentes a nivel nanoscópico, un claro ejemplo es la misma molécula de ADN; además, contamos con ciertas proteínas estructurales como los microtúbulos, o mejor aún, una capaz de multiplicarse y transportar información como los virus. Una gran ventaja que ofrecen estas estructuras biológicas es que tienen la capacidad de autoensamblarse, un paso importante dentro del proceso de producción de los nanomateriales. Otra importante ventaja es que pueden mantenerse estables a distintas temperaturas y pHs.

Un avance importante dentro de la bionanotecnología lo hizo Huang et al. quien logró elaborar complejas nanoestructuras a partir del bacteriófago M13 (virus que ataca a las bacterias), usando la ingeniería genética para que las partículas virales puedan expresar biomoléculas (péptidos) de superficie capaces de unirse a diferentes sustratos y así poder ensamblarse en estructuras especiales. Por ejemplo, uno de esos péptidos de superficie le permitían unirse a nanocables de oro, cubriéndolos por completo. Después, se dieron con la sorpresa que la conductividad de este nanocable se había incrementado considerablemente, formando un superconductor. Las implicancias tecnológicas de este estudio fueron grandes, sobre todo en la fabricación de nuevos dispositivos electrónicos.

Imagen: © 2005 American Chemical Society

Ahora, investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Maryland se han enfocado en el uso del Virus del Mosaico del Tabaco (TMV), el cual tiene forma de una barra rígida de 4nm de ancho por 300nm de largo. Este virus ya ha sido bien estudiado en la fabricación de nanocables. Sin embargo, aún no se han podido introducir estas estructuras biológicas en la producción industrial nanotecnológica. Así que Gerasopoulos et al. han desarrollado un método de recubrimiento de nanoelectrodos usando el TMV, que podría tener un potencial uso para la producción de nanobloques de construcción a gran escala, por ejemplo, en la producción de electrodos de las baterías de Litio.

Los investigadores modificaron genéticamente los TMV de tal manera que expresen unas proteínas de adhesión en uno de los extremos longitudinales, y así se puedan unir a la superficie metálica del electrodo perpendicularmente. Esta distribución genera un patrón intrincadamente ordenado de los virus (ver en la figura). La importancia de recubrir un electrodo con los virus es que aumenta su área superficial, de esta manera, se incrementa la conductividad y la capacidad de almacenar energía. Además, es más barato que hacer un electrodo más grueso usando metales costosos y la capacidad de almacenar energía es 10 veces superior a una batería de Litio normal. Otra ventaja es que un electrodo recubierto por el virus es menos pesado que uno hecho enteramente de metal, ya que a nivel nano, las propiedades físicas son más influyentes que en tamaño normal.

Los virus se mantienen inertes durante la producción del dispositivo, lo cual reduce cualquier probabilidad de transmitir el virus a otros organismos.

Los pasos para producir una batería basada en el TMV son tres:

1. Modificar genéticamente el virus para expresar proteínas de superficie específicas al sustrato, propagarlas para obtener un buen número de ellas, y aislarlos.
2. Procesarlos para que crezcan en nanotiras (tipo fideos) sobre la superficie metálica del electrodo.
3. Incorporar estos electrodos recubiertos por los virus en las baterías.

Cada paso debe ser realzado por diferentes profesionales, desde biólogos, pasando por químicos y terminando con los ingenieros. Todo esto hace que sea un trabajo multidisciplinario integrado. Aquí les pongo el video para que vean de manera detallada como se da todo este proceso:

La modificación genética de los virus se hizo en el instituto de Biociencias y Biotecnología de la Universidad de Maryland. Estos virus modificados los usaron para infectar las hojas de las plantas de tabaco. Después de unas semanas, recolectaron las hojas infectadas y procedieron a extraer los virus de ellas mediante trituraciones, filtraciones, y otros métodos fisicoquímicos como la extracción de disolvente.

Luego, usaron esta solución de virus para bañar en él una placa metálica, donde los virus, gracias a sus modificaciones genéticas, se adherirán a la superficie del electrodo metálico de manera organizada. Después, esta placa envuelta por lo virus es cubierta con un metal conductor como el Níquel. Esta cobertura además ofrece una protección para que el virus no pueda contaminar las superficies en las que se pone en contacto. Finalmente, este electrodo es usado para la fabricación de baterías alcalinas, el cual podría ser llevado a nivel industrial.

Sin dudas, el uso de estos virus es una muy buena alternativa ya que es barata, renovable y eficiente. En promedio 40 hectáreas de plantaciones de tabaco puede producir una tonelada de hojas, de las cuales se pueden extraer una cantidad enorme de virus.

Referencias:

K Gerasopoulos et al 2010. Biofabrication methods for the patterned assembly and synthesis of viral nanotemplates. Nanotechnology 21, 055304. doi: 10.1088/0957-4484/21/5/055304

University of Maryland.