Aunque parezca ciencia ficción, los científicos trabajan para construir máquinas moleculares a escala nanométrica que puedan diseñarse para innumerables aplicaciones, como medicamentos y materiales «inteligentes». Pero, como todas las máquinas, estos diminutos dispositivos necesitan una fuente de energía, de la misma forma que los electrodomésticos utilizan la electricidad o las células vivas utilizan el ATP (trifosfato de adenosina, la fuente universal de energía biológica).
Investigadores del laboratorio de Lulu Qian , profesora de bioingeniería de Caltech, están desarrollando máquinas a nanoescala hechas de ADN sintético, aprovechando las propiedades únicas de enlace químico del ADN para construir circuitos capaces de procesar señales de forma similar a las computadoras en miniatura. Operando a escalas de mil millonésimas de metro, estas máquinas moleculares pueden diseñarse para formar robots de ADN que clasifiquen cargas o para funcionar como una red neuronal capaz de aprender a reconocer dígitos numéricos escritos a mano . Sin embargo, persiste un desafío importante: cómo diseñarlas y alimentarlas para múltiples usos.
Ahora, Qian y el exinvestigador postdoctoral Tianqi Song (actualmente profesor adjunto en la Universidad de Carolina del Norte en Greensboro) han desarrollado un método para alimentar circuitos de ADN mediante calor. Su sistema se reinicia automáticamente al calentarse, creando un sistema reutilizable y recargable que puede diseñarse para diversos cálculos. Un artículo que describe la investigación se publicará en la revista Nature el 1 de octubre de 2025.
«A diferencia de los combustibles especializados, el calor está presente en todas partes y es de fácil acceso», afirma Qian. «Con el diseño adecuado, puede recargar las máquinas moleculares una y otra vez, permitiéndoles mantener su actividad y seguir interactuando con su entorno. Y a diferencia de las baterías químicas, esta recarga prácticamente no deja residuos: solo los restos de las propias señales de entrada, que, en un entorno natural, simplemente se reciclarían con el tiempo».
El método de recarga térmica se basa en un fenómeno llamado trampa cinética. Los resortes son un ejemplo clásico de trampa cinética: al comprimir un resorte, se almacena energía, la cual se libera al abrirse. De forma similar, las moléculas de ADN que componen el sistema del equipo están diseñadas para unirse de tal manera que, al calentarlas, se almacena energía dentro de los propios enlaces moleculares.
«Imagina dos cadenas de ADN que deberían unirse, como piezas de un rompecabezas, pero una de ellas está retenida por una tercera cadena que ralentiza la reacción», dice Song. «Es como un resorte presionado y mantenido en su lugar: la energía está ahí, esperando. La adición de una cadena catalizadora libera el bloqueo, provocando que el resorte se suelte repentinamente y las cadenas de ADN se apareen rápidamente, liberando la energía almacenada para impulsar el sistema. Cuando se calienta un tubo de ensayo de ADN y luego se enfría, las moléculas no siempre se asientan en su disposición más estable. En cambio, y especialmente cuando tienen estructuras plegadas fuertes, el calentamiento y el enfriamiento pueden restablecerlas a su estado de resorte, listas para liberar energía de nuevo».
Partiendo de dos ideas —trampas cinéticas como depósitos de energía y calor como botón de reinicio—, el equipo investigó si el calor podría utilizarse como fuente de energía universal para circuitos moleculares complejos. En su diseño, los circuitos realizan sus tareas a temperatura ambiente, gastando la energía almacenada en trampas cinéticas, como si fueran «resortes» moleculares. Una vez completadas sus tareas, el sistema puede recargarse con un pulso de calor, reiniciándolo para que esté listo para la siguiente entrada.
El dúo demostró que este método recargable puede aplicarse para alimentar sistemas con comportamientos muy diferentes; en este caso, como una red neuronal y como un circuito lógico. Estos dos sistemas son arquetipos de la computación clásica.
Es importante destacar que la idea de la reutilización mediante trampas cinéticas no se limita al calor. «En principio, cualquier fuente de energía —luz, sal o gradientes ácidos como los que atraviesan las membranas celulares— podría cumplir la misma función siempre que pueda romper los enlaces débiles entre las moléculas, permitiéndoles volver a caer de forma natural en sus trampas», afirma Qian. «Con este tipo de computación sostenible, podemos empezar a diseñar sistemas moleculares que no solo realicen una tarea una vez, sino que puedan mostrar comportamientos a largo plazo más similares a los de los sistemas vivos, como el aprendizaje y la evolución».
A largo plazo, estas máquinas moleculares en funcionamiento continuo, especialmente aquellas con aprendizaje autoguiado y capacidades evolutivas, podrían habitar en materiales cotidianos, añade. Imaginen un recubrimiento aplicado una sola vez a un avión, que detecte constantemente la tensión y repare las grietas para garantizar la seguridad de los pasajeros año tras año. O unas lentes de contacto que se compran una sola vez, que se rehidratan y se ajustan para corregir la visión sin importar cómo cambie con el tiempo. O incluso un medicamento inteligente que se toma una sola vez, que sigue aprendiendo a combatir nuevas enfermedades durante toda la vida. Lo que ahora parece mera imaginación podría hacerse realidad si otros se basan en nuestra prueba de concepto y continúan el trabajo en las próximas décadas.
El artículo se titula » Computación termorrecargable en circuitos lógicos de ADN y redes neuronales «. Qian y Song son los autores del estudio. El estudio fue financiado por Schmidt Sciences, LLC y la Fundación Nacional de Ciencias.
Caltech News.
