Sensores de nanoalambre que penetran en las células

En cavidades optomecánicas a escala nano, los fotones rebotan de los espejos. Su momento se amplifica lo suficiente para provocar la deflexión mecánica de un oscilador. El aprovechamiento de la nanomecánica de cavidades para detectar deflexiones ha permitido obtener detectores de masa y fuerza con una sensibilidad sin precedentes. No obstante, cuando el sistema mecánico encoge por debajo de la longitud de onda óptica (hasta escalas sublongitud de onda), aparece la difracción y el efecto de amplificación disminuye.

Con financiación de la UE, el proyecto «Operation of cavity optomechanics in fluids for ultrasensitive mass detection» (OPTONANOMECH) afrontó ese y otros desafíos para preparar el camino a medidas ultrasensibles en el interior de células vivas individuales. Los científicos consiguieron traspasar los límites mediante el uso de una oscilación activa para alcanzar alta sensibilidad a temperatura ambiente y sin condiciones de vacío.

El resonador nanomecánico forma parte de un circuito fotónico de manera que, tanto el accionamiento como la detección, todo es óptico. La oscilación activa resultante de la retroacción regenerativa de la cavidad elimina la necesidad de contar con una fuerza motriz de corriente alterna constante. Este método no solo elimina las restricciones de tamaño impuestas por las conexiones eléctricas sino que, aún más importante, resuelve el problema de la difracción y permite una sensibilidad sin precedentes. Se abre así la puerta a nuevos diseños de cavidades que permitan conseguir medidas en el límite cuántico, el punto a escalas cuánticas en el que la precisión de las medidas alcanza un límite debido a los efectos de retroacción. Al desaparecer la necesidad de excitación externa, los diseños de los nuevos sensores se pueden simplificar enormemente.

Utilizando un sistema de detección óptica basado en nanoalambres semiconductores, los científicos fueron capaces de detectar unos pocos zeptogramos (una cantidad cercana a la masa de un protón o un átomo de hidrógeno) en un fluido con nanoalambres cortos. Tal nivel de sensibilidad haría posible la detección de eventos ligando-receptor individuales, como la unión de moléculas a receptores al estilo llave-cerradura. Esos eventos son un pilar de la señalización intra e intercelular. Dado que los nanoalambres pueden atravesar la membrana celular, el sistema sería asimismo apto para la administración intracelular de fármacos y genes y su control intracelular.

La detección ultrasensible de masa y fuerza a temperatura ambiente y en fluidos abre la puerta a la detección de eventos biológicos dinámicos en condiciones realistas y en tiempo real. Trasladar esa capacidad del laboratorio a la clínica proporcionará una nueva herramienta revolucionaria de diagnóstico, control y tratamiento. El proyecto OPTONANOMECH está preparando el camino.