25 de septiembre de 2023 Escrito por Marnie Ellery
Los virus suelen estar asociados con enfermedades, pero muchos virus son benignos e incluso beneficiosos. fagos Que comen bacterias dañinas y resistentes a los antibióticos. Ahora, investigadores de Berkeley informan que los virus diseñados también pueden generar electricidad cuando se exponen al calor, un descubrimiento que podría allanar el camino para la próxima generación de biosensores y herramientas de diagnóstico.
Como dice la revista. Materiales avanzadosLos investigadores han descubierto por primera vez «la generación de tensiones eléctricas inducidas por el calor en el virus», un fenómeno conocido como termoelectricidad. Este trabajo puede arrojar luz sobre cómo los biomateriales (células, tejidos y proteínas) generan electricidad a nivel molecular y conducir al desarrollo de biomateriales con nuevas aplicaciones médicas, farmacéuticas, medioambientales y energéticas.
«A través de este estudio, obtuvimos información valiosa sobre la relación entre las estructuras de las proteínas y las propiedades eléctricas», dijo el investigador principal. Seung Wook Lee, profesor de bioingeniería en UC Berkeley y científico docente del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. «Descubrimos que cuando aplicamos calor a las partículas de virus, éstas sufren cambios estructurales que conducen a cambios en la polarización espontánea y la generación de potenciales eléctricos».
El interés por la bioelectricidad (el potencial eléctrico generado dentro de las células vivas) se remonta al antiguo Egipto y aumentó en el siglo XVIII, cuando luigi galvani Descubrió que la estimulación eléctrica podía hacer que los músculos de las ancas de rana se contrajeran. Si bien nuestra comprensión científica de este fenómeno ha mejorado dramáticamente a lo largo de los años, aún quedan dudas debido a la complejidad de los biomateriales y las limitadas herramientas disponibles para estudiarlos. Lee cree que los virus pueden ayudarnos a encontrar respuestas.
«Los virus tienen algunas propiedades fascinantes que los convierten en un sistema modelo ideal para estudiar los vínculos entre estructura y función en la generación de energía bioeléctrica», dijo Lee. «Estos incluyen la capacidad de autorreplicarse rápidamente a gran escala, evolucionar y, debido a su forma y material idénticos, autoensamblarse como palillos en una caja».
Li y su equipo demostraron por primera vez el potencial bioeléctrico del virus M13 diseñado hace más de 10 años. Los investigadores informaron Propiedades piezoeléctricas de estos virus. Su capacidad para generar electricidad en respuesta al estrés.
Al modificar genéticamente las estructuras proteicas externas del fago, los investigadores descubrieron que podían mejorar su rendimiento piezoeléctrico. Si bien los virus M13 carecen de la capacidad de detectar directamente el calor, los investigadores han observado que sufren cambios estructurales en respuesta a estímulos térmicos. Estas propiedades les llevaron a sospechar que los fagos podrían poseer propiedades termoeléctricas.
Una imagen que muestra el potencial eléctrico generado por la película de virus al calentarse. (Foto cortesía de Seung Wook Lee)
En este último estudio, Lee y su equipo pusieron a prueba esta teoría. Diseñaron genéticamente parte de la cubierta proteica del fago M13 para crear estructuras verticales, apuntando en la misma dirección y en la escala nanométrica.
Luego observaron y midieron la respuesta eléctrica del virus al calor. Según Lee, sus hallazgos mostraron que el calor desnaturaliza o derrite la cubierta proteica de los fagos modificados, provocando una diferencia en los potenciales eléctricos.
A continuación, los investigadores estudiaron las respuestas termoeléctricas del fago M13 a otras moléculas. Se han unido péptidos genéticamente sintonizados para responder a compuestos orgánicos volátiles y no volátiles específicos al recubrimiento proteico de fagos termoeléctricos diseñados. Cuando estos fagos fueron expuestos a diferentes solventes, produjeron diferentes respuestas fotoeléctricas dependiendo de las especies químicas y sus concentraciones.
«Nuestros hallazgos mostraron que dependiendo del receptor químico, podemos detectar fácilmente una sustancia química inofensiva o tóxica, como el xileno», dijo Li.
Li y su equipo creen que este enfoque para diseñar fagos con propiedades termoeléctricas personalizadas podría abrir la puerta a otras aplicaciones. Esto incluye la construcción de dispositivos portátiles que utilizan energía termoeléctrica para detectar otros virus y detectar nuevas cepas.
«Vislumbramos muchas posibilidades para esta tecnología», dijo Lee. «Esto puede ayudar a allanar el camino para la creación de nuevos materiales bioeléctricos para su uso en bioelectrónica, recolección de energía y nuevos dispositivos bioinspirados».
Han Kim, autor principal de este estudio, es estudiante de posgrado e investigador en el laboratorio de Lee. Los coautores incluyen a los investigadores estudiantes de pregrado Kento Okada y Yoongi Kwon, y a los investigadores postdoctorales Insuk Chai y Butik Lim.
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