Nanomecanica

Nanomecánica
de proteínas
La célula posee numerosos complejos proteínicos que operan como verdaderos dispositivos
mecánicos, con auténticos motores y muelles que trabajan en un entorno que nos es poco
familiar. Con el microscopio de fuerza atómica nos adentramos en sus entresijos
Mariano Carrión Vázquez

A

la célula, unidad elemental de la vida, se
la considera hoy en día una complejafac toría, llena de máquinas proteínicas que se
encargan de la mayoría de las funciones
biológicas. El desarrollo de nuevas técni cas suele preceder a grandes avances en el
conocimiento. Gracias a la aplicación de las técnicas
de la biología molecular y estructural estamos descu briendo, cada vez a mayor velocidad, las secuencias
y estructuras de las proteínas que componen esa ma quinaria. Elanálisis de su funcionamiento se limitaba
hasta no hace mucho al estudio macroscópico, propio
de la bioquímica clásica, de las propiedades medias de
vastas poblaciones moleculares en el rango submolar:
se observaban a la vez miles de trillones de moléculas.
Una técnica de registro eléctrico, el “pinzamiento de
membrana”, constituyó la avanzadilla que permitió a la
neurobiología estudiarpor primera vez las propiedades
—eléctricas— de moléculas y complejos proteicos individuales; en concreto, de los canales iónicos, proteínas
de la membrana celular que, a modo de compuertas,
se abren o cierran para controlar el paso de iones
[ véase “ La técnica del pinzamiento de membrana”,
de Erwin Neher y Bert Sakmann; INVESTIGACIÓN Y
C IENCIA , mayo de 1992].
La exploración de laspropiedades mecánicas de las
proteínas ha tenido que esperar más tiempo. Sin embargo,
en la actualidad, tras la aparición de la nanotecnología,
disponemos de una primera generación de instrumentos
para la manipulación y análisis mecanoquímico de las
moléculas de proteína una a una. De los más utilizados
es el microscopio de fuerza atómica (MFA). Se trata
de una técnica dinámica que nos posibilitael estudio
directo del funcionamiento interno de las máquinas bio INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, julio, 2007

lógicas, en condiciones fisiológicas, con una resolución
sin precedentes y en tiempo real.

Liliput convulso

En esas máquinas proteínicas encontramos componen tes (motores, muelles, palancas, ejes, rotores, pestillos,
bisagras e interruptores) muy similares a los fabricados
por elhombre. Una diferencia palmaria entre las má quinas naturales y los artefactos reside en el tamaño.
Las máquinas moleculares son tan diminutas (miden
escasos nanómetros, millonésimas de milímetro), que
las fuerzas térmicas dominan su funcionamiento a través
de las constantes colisiones con las moléculas de agua,
aún más pequeñas. Contrasta con las reglas de juego
que rigen nuestro mundomacroscópico, donde el peso
y la inercia de los cuerpos son dominantes.
Las fuerzas térmicas convierten la célula en un mundo
que, a escala nanoscópica, parece caprichoso y extra vagante. Las moléculas de proteína en solución acuosa
se encuentran bombardeadas sin cesar por un vendaval
de moléculas de agua que las someten a un “baile”
continuo y frenético: el “movimiento browniano”, que
AlbertEinstein logró explicar en términos puramente
fisicoquímicos.
La magnitud de estas fuerzas depende de la temperatura del fluido; es proporcional a kT (la temperatura,
medida en kelvin, por la constante k de Boltzmann).
A temperatura ambiente, la energía térmica equivale a
unos cuatro piconewton · nanómetro (4pN·nm), esto es,
0,6 kilocalorías por mol en las unidades “macroscópicas”
habituales de labioquímica. (Un piconewton, o pN, es
la diezbillonésima parte del peso de un objeto de un
kilogramo de masa.) Ahora bien, por lo que se refiere a
la energía concreta que cada proteína recibe en cada mo 45

durante su funcionamiento, sufren
estrés mecánico.
En la célula, la principal fuente de
energía de que se valen las proteínas
para superar todas estas barreras en
los cambios de...