Los implantes médicos utilizarán células artificiales como fuente de energía

Investigadores imitan los electrocitos para crear células con alto rendimiento energético

Las anguilas eléctricas, capaces de emitir descargas eléctricas de hasta 600 voltios gracias a un conjunto de células especializadas (electrocitos) existentes en su organismo, han servido de fuente de inspiración para idear células artificiales con capacidad de generación eléctrica. Científicos estadounidenses han diseñado un modelo matemático con el que se pudo medir el intercambio de iones de la membrana de los electrocitos de estos animales, y que servirá para diseñar células artificiales que sigan el mismo mecanismo, pero con un mayor rendimiento energético. Los investigadores piensan en aplicar el sistema como fuente de energía para pequeños dispositivos de implantes médicos.

Las anguilas eléctricas son peces de la familia de los gimnótidos que pueden emitir descargas eléctricas de hasta 600 voltios gracias a un conjunto de células especializadas existentes en su organismo. Estas descargas las utilizan estos animales para cazar, defenderse o comunicarse con sus iguales.

Ahora, un grupo de ingenieros de la Universidad de Yale y del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, agencia de la Administración de Tecnología del Departamento de Comercio de los Estados Unidos, ha aplicado las más modernas herramientas para imitar el mecanismo electrificante de la Electrophorus electricus… a nivel celular.

Según publica el NIST en un comunicado, un modelo matemático ha demostrado que se podrían fabricar células que no sólo reproduzcan la capacidad eléctrica de estos animales sino que, además, mejoren el rendimiento eléctrico de las células naturales.

Estas versiones celulares artificiales podrían utilizarse como fuente energética para implantes médicos u otros dispositivos de escaso tamaño, señalan los científicos.

Imitando a los electrocitos

Los órganos eléctricos de la Electrophorus electricus se encuentran en la zona ventral de su organismo, y consisten en tres pares de órganos, con diversas funciones. Un par, llamado órgano de Sachs, produce descargas de bajo voltaje (alrededor de 10 V). Estas descargas son empleadas para detectar posibles presas y comunicarse con otros gimnótidos.

Los otros dos pares, llamados órganos de Hunter, producen descargas hasta 50 veces más potentes, con las que la anguila atonta a sus presas o potenciales predadores. Puede mantener la producción de descargas durante periodos de hasta una hora.

La anguila eléctrica tiene esta capacidad de generación energética gracias a una células especializadas llamadas electrocitos que se encuentran por todos sus órganos eléctricos.

El mecanismo con el que funcionan estas células es el siguiente: la llegada de una señal química acciona la apertura de canales altamente selectivos presentes en la membrana celular, lo que provoca que iones de sodio entren en ella y que iones de potasio salgan hacia fuera.

Este intercambio de iones es lo que aumenta el voltaje en toda la membrana, originando a su vez la apertura de más canales. Llegado a cierto punto, este proceso se auto-perpetúa, dando lugar a una señal eléctrica que viaja a través de la célula.

Modelo matemático

Según explican los investigadores en la revista especializada Nature Nanotechnology, las membranas celulares de órganos eléctricos de la anguila contienen, a escala nanométrica, numerosos conductores con forma de canales receptores de iones y canales bombeadores de iones.

Todos estos canales trabajan juntos para formar gradientes de concentración iónica a través de toda la membrana, y provocar así la liberación de un potencial de acción (o impulso eléctrico).

Según explica uno de los autores del estudio, David A. LaVan, de la Universidad de Yale, en las membranas de los electrocitos de las anguilas eléctricas hay al menos siete tipos diferentes de canales, cada uno de ellos con diversas variables posibles de ajuste, como la densidad.

Gracias a estos canales, las células eléctricas o electrocitos de estas anguilas tienen un ciclo más lento que el de las células nerviosas, pero liberan mucho más energía que ellas, y en periodos más largos.

Lo que LaVan y su colega Jian Xu han conseguido es desarrollar un complejo modelo numérico que representa la conversión de las concentraciones de iones a impulsos eléctricos. Además, los científicos probaron este modelo numérico en electrocitos y células nerviosas para verificar su exactitud. En concreto, el modelo permitió medir la conversión de los gradientes de concentración iónica a impulsos eléctricos en un electrocito natural, explican los científicos en Nature Nanotechnology.

Posteriormente, los investigadores consideraron cómo optimizar el sistema para maximizar la producción de energía cambiando la combinación global de tipos de canales.

Aplicaciones en dispositivos pequeños

Según escriben los científicos, “parecía natural preguntarse si las células artificiales podrían fabricarse para usar el transporte de iones de manera tan efectiva como las células naturales”. Los cálculos mostraron que no sólo podían desarrollarse células artificiales tan efectivas en su producción eléctrica como las naturales sino que se podían conseguir de ellas incluso un rendimiento eléctrico mayor en comparación con el de los electrocitos.

Por ejemplo, uno de los diseños de célula artificial generaría un 40% más de energía que el impulso eléctrico de un electrocito natural. Otro diseño ideado por los científicos podría producir picos de energía un 28% más altos que los de los electrocitos.

En principio, según los autores, la reunión de capas de células artificiales en un cubo de algo más de cuatro milímetros en cada lado permitiría la producción continua de 300 microvatios. Esta energía sería suficiente como para impulsar pequeños dispositivos para implantes.

Los componentes individuales de las posibles células artificiales, entre ellos membranas artificiales separadas por un compartimiento y canales que podrían fabricarse con proteínas de ingeniería, han sido ya desarrollados por otros investigadores, según el NIST.

Al igual que en el caso de las células naturales, la fuente de energía de las células artificiales sería el trifosfato de adenosina (ATP o adenosín trifosfato, que es una molécula que proporciona gran cantidad de energía para las funciones biológicas, explican los investigadores.

http://www.nist.gov/public_affairs/techbeat/tb2008_1001.htm#eels