Estos robots alimentados por bacterias pueden un día nadar a través de su torrente sanguíneo

Escherichia coli
La bacteria Escherichia coli , ilustrada aquí, se mueve con estructuras en forma de hélice llamadas flagelos; Es uno de los microbios móviles que los científicos han vinculado a las estructuras portadoras de carga para formar microrobots biohíbridos. (Crédito: supergaláctico / Shutterstock)

En el universo de Doctor Who de TV, los adversarios más aterradores de todos son las formas de vida híbridas robot-orgánicas conocidas como los Daleks.

Cada Dalek es un ser vivo encerrado en una carcasa robótica equipada con armamento letal, frecuentemente empleado para aterrorizar Londres, otras ciudades o planetas enteros. Pero si crees que eso da miedo, ahora imagina nanoDaleks, demasiado pequeños para ver, corriendo dentro de tu cuerpo, cada uno de ellos cantando "¡Exterminado!"

No es del todo descabellado. Los científicos con base en la Tierra en el aquí y ahora están desarrollando algo sorprendentemente similar. Pero la idea no es invadir y conquistar, sino curar o sanar.

Curación desde adentro

En lugar de Doctor Who , esta empresa imagina algo más como una versión de la vida real de Fantastic Voyage , la película de 1966 novelizada por Isaac Asimov. En esa historia, los científicos redujeron un submarino (con personas adentro) del tamaño de un microbio, lo que permitió a los humanos viajar al cerebro de un científico con un coágulo de sangre que amenaza la vida. En la versión actual de este cuento, los científicos están combinando microbios vivos (muy pequeños para empezar, sin necesidad de encogerse) con un aparato adicional de transporte de carga. Estos "microrobots biológicos híbridos" podrían administrar medicamentos para combatir enfermedades, atacar tumores o realizar otras funciones útiles.

Los médicos no desplegarán ejércitos de microrobot híbridos en el cuerpo de nadie en el corto plazo. Los investigadores deberán sortear numerosos obstáculos técnicos antes de que los microbots se conviertan en un procedimiento operativo estándar. Pero tampoco la perspectiva es completamente hipotética. Los investigadores ya han diseñado y construido varias versiones de microrobots híbridos capaces de navegar por el mundo celular.

"En la última década, varios microorganismos y portadores artificiales se han integrado para desarrollar microrobots biohíbridos únicos que pueden nadar o gatear dentro del cuerpo", escribieron Yunus Alapan y sus colegas en la Revisión anual actual de control, robótica y sistemas autónomos .

Los experimentos en tubos de ensayo, platos de laboratorio o animales han demostrado, por ejemplo, que los bots biohíbridos pueden ser dirigidos por campos magnéticos, pulsos de luz o las propiedades químicas de su entorno para administrar medicamentos a las ubicaciones deseadas. Dichos híbridos móviles también podrían manipular las interacciones celulares o generar calor para inducir otros efectos médicamente beneficiosos.

Todos los enfoques de bot híbridos tienen en común la idea de combinar un microbio móvil, uno que pueda gatear o nadar, con una estructura que pueda transportar carga como drogas u otros trabajos. Pero a diferencia de Daleks, que se parecen bastante, los microrobots híbridos se pueden construir a partir de un repertorio diverso de microorganismos móviles. Los investigadores también han diseñado una biblioteca de portadores artificiales hechos de diferentes materiales, con diferentes tamaños y formas, que pueden conectarse con los microorganismos sin matarlos.

Dicha diversidad es necesaria porque ningún tipo de microbot sería adecuado para todos los propósitos.

"No existe una receta única para desarrollar el microrobot biohíbrido ideal, ya que el rendimiento y la funcionalidad requeridos dependen en gran medida de la aplicación específica", escriben Alapan y sus coautores, del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Alemania.

Diseñando Robots Híbridos

Los investigadores han investigado varios diseños y métodos de fabricación para unir microbios a un transportista de carga. En un enfoque, las cargas eléctricas naturales pueden unir los dos electrostáticamente; la bacteria Serratia marcescens , por ejemplo, lleva una carga positiva que le permite unirse a un portador hecho de partículas plásticas de poliestireno cargadas negativamente.

En algunos casos, una sola estructura portadora de carga es impulsada por múltiples microbios; en otros casos, uno o dos microbios por sí solos pueden impulsar el microtruck de administración de fármacos. Y en el diseño más parecido a Dalek, el microbio está atrapado dentro de la estructura de transporte de carga.

diseñando microrobots biónicos
Los microrobots biohíbridos combinan microorganismos móviles con estructuras transportadoras para administrar medicamentos o realizar otras funciones útiles en el cuerpo. Los investigadores están explorando el uso de múltiples microbios diferentes para propulsión y varios tipos de estructuras de transporte de carga; el éxito requiere encontrar métodos efectivos para integrar el microbio con el portador y métodos efectivos para dirigir el bot híbrido, como campos magnéticos, pulsos de luz o señales químicas en el entorno del bot.

Todos estos diseños explotan la capacidad de los microorganismos, como bacterias o algas, para nadar o gatear a través de entornos biológicos. Estos microbios se autopropulsan al consumir energía química de su entorno para impulsar "motores moleculares". Las bacterias nadan hacia los alimentos, por ejemplo, a través de maquinaria molecular que hace girar protuberancias similares a hélices conocidas como flagelos. Una forma diferente de movimiento flagelar impulsa a los espermatozoides en su búsqueda de fertilizar óvulos. Otros microorganismos viajan usando el movimiento ameboide, impulsado por la flexión de sus esqueletos celulares, construidos a partir de la proteína actina. A medida que su esqueleto se flexiona, las protuberancias de la membrana de una célula se adhieren a las superficies circundantes para empujarse hacia adelante.

Los microbios móviles son ideales para la propulsión de bots por varias razones. Pueden moverse rápidamente por el cuerpo, tienen la capacidad de interactuar con las células del cuerpo y son lo suficientemente pequeños como para abrirse paso a través de los pasillos más pequeños del cuerpo, como los capilares en el sistema circulatorio. Un microbot deformable hecho de E. coli unido a glóbulos rojos que han sido evacuados y cargados con carga puede atravesar pasajes más pequeños que el propio robot, según un estudio.

"Tales ventajas hacen que los microrobots celulares biohíbridos sean candidatos atractivos para aplicaciones médicas, incluida la administración dirigida de medicamentos", escriben Alapan y sus colegas.

Moverse

Desde la perspectiva de la vida diaria, la propulsión de bots puede parecer lenta. La velocidad de natación de E. coli en el agua es de aproximadamente media milla por año (y tal vez no tan rápido en fluidos biológicos). Algunos glóbulos blancos se arrastran más de una milla por siglo. Pero dentro de sus propios Juegos Olímpicos microscópicos, tales velocidades son impresionantes. E. coli puede atravesar 15 veces la longitud de su propio cuerpo por segundo, el equivalente a un humano corriendo la carrera de 100 metros en poco más de tres segundos, haciendo que Usain Bolt parezca una tortuga.

Sin embargo, la velocidad no es el único problema. La dirección precisa también es esencial.

Los investigadores en los últimos años han informado de un rápido progreso en el desarrollo de estrategias de dirección efectivas. Un estudio de 2017 mostró éxito al recubrir la espirulina, un tipo de cianobacterias, con nanopartículas magnéticas y luego guiarla a través del estómago de una rata mediante la aplicación de un campo magnético externo. Otra investigación ha demostrado que los glóbulos blancos cargados con nanopartículas magnéticas se pueden dirigir hacia un tumor para administrar medicamentos. Otro estudio mostró que los microbots a base de algas pueden ser guiados por pulsos de luz LED.

En algunos diseños de bots, la dirección se basa en la capacidad del microbio para sentir la química de su entorno. "Un aspecto atractivo del control químico es la disponibilidad de una amplia variedad de señales químicas liberadas localmente por células o tejidos específicos", señalan Alapan y sus colaboradores.

Si bien ofrecen muchas características deseables, los microrobots híbridos plantean problemas formidables. Las consideraciones médicas y de ingeniería deben fusionarse de manera que los bots sean confiables y seguros. Las estructuras de transporte de carga deben estar hechas de materiales que no desencadenen ataques del sistema inmunitario del cuerpo, por ejemplo. Por lo demás, los portadores tampoco deben ser tóxicos para los microbios que los impulsan. Y de alguna manera, los transportistas deben ser eliminados de manera segura después de que su trabajo haya terminado. (Un enfoque consiste en cargar el microrobot con sensores que pueden activarse mediante luz infrarroja para generar suficiente calor para degradar el bot al comando).

Además, es poco probable que cualquier intervención médica se pueda lograr con éxito con un solo microbot híbrido. Por lo tanto, deben idearse técnicas para controlar y coordinar el movimiento y las acciones de enjambres enteros de bots.

"El uso de microrobots biohíbridos en medicina todavía presenta muchos desafíos", escriben Alapan y sus coautores. El diseño de la investigación para enfrentar esos desafíos en "una estrecha colaboración con investigadores médicos … mejoraría y aceleraría significativamente la traducción de microrobots biohíbridos para uso médico".

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Tom Siegfried es escritor y editor científico en el área de Washington, DC. Su libro The Number of the Heavens , sobre la historia del multiverso, fue publicado en septiembre por Harvard University Press.

Este artículo apareció originalmente en Knowable Magazine , un esfuerzo periodístico independiente de Annual Reviews. Regístrese para recibir el boletín .

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