En Austria van tras los planos de la naturaleza para aplicarlos en nanomateriales

Físicos del Institute of Science and Technology Austria (ISTA) crean un «libro de reglas teóricas» del autoensamblaje

La biología ha fascinado a los físicos desde hace mucho tiempo por su capacidad de construir máquinas moleculares complejas a partir de bloques autoensamblables. Crédito y copyright de la imagen: ISTA

Inspirados por los sistemas biológicos, los científicos de materiales llevan mucho tiempo buscando aprovechar el autoensamblaje para construir nanomateriales. El reto: el proceso parecía aleatorio y notoriamente difícil de predecir. Ahora, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) y la Universidad de Brandeis han descubierto reglas geométricas que actúan como un panel de control maestro para las partículas autoensambladas. Los resultados, que podrían tener aplicaciones que abarcan desde el diseño de proteínas hasta las nanomáquinas sintéticas, fueron publicados en Nature Physics.

En un artículo publicado en la sección de noticias de la ISTA se nos indica que, según los investigadores, la vida es la nanotecnóloga por excelencia. La biología ha fascinado a los físicos desde hace mucho tiempo por su capacidad para construir máquinas y estructuras moleculares complejas a partir de moléculas que encajan en su lugar como imanes. Pero ¿qué rige este fenómeno tan frecuente en la naturaleza?

Para averiguarlo, el estudiante de doctorado Maximilian Hübl y el profesor adjunto Carl Goodrich del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) se unieron a los científicos Daichi Hayakawa y Thomas Videbaek del grupo de W. Benjamin Rogers en la Universidad Brandeis en los Estados Unidos. Juntos, se propusieron descifrar el código del autoensamblaje molecular y aplicarlo a la nanotecnología. “Durante décadas, los científicos han soñado con aprovechar el poder del autoensamblaje molecular para construir nanomateriales hechos a medida”, dijo Goodrich. “Pero un desafío importante ha sido predecir exactamente qué formas se formarán cuando miles de piezas diminutas se pongan en movimiento”. En un enfoque dual que combina métodos teóricos y experimentales, el equipo desarrolló y validó una herramienta que distingue las estructuras “diseñables” o viables de las que no se pueden ensamblar. Resulta que los resultados del autoensamblaje están regidos por la geometría.

Físicos de la ISTA crearon un manual teórico sobre el autoensamblaje. El primer autor del estudio, el estudiante de doctorado Maximilian Hübl, y el profesor adjunto Carl Goodrich manipulan un modelo de juguete simplificado mientras discuten sus hallazgos. Crédito y sopyright de la imagen: ISTA

Luz en la oscuridad
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Las partículas autoensamblables no son precisamente nuevas en los intereses de investigación de Goodrich. Sin embargo, solo se convenció de abordar el tema de frente tras desarrollar un enfoque concreto. Su estrategia inicial abarcó cálculos numéricos, incluyendo diferenciación automática y programación diferenciable.

Cuando Hübl se unió al grupo de Goodrich en ISTA, comenzó a examinar el proyecto con este mismo enfoque. Sin embargo, rápidamente identificó un método más general y eficaz. «Con nuestra estrategia inicial, analizamos el problema como si estuviéramos en una habitación desconocida, en total oscuridad, buscando con una linterna. Finalmente, nos dimos cuenta de que la habitación tenía un interruptor. Encender las luces nos permitió visualizar todas las posibilidades que el autoensamblaje puede alcanzar, así como las áreas a las que no puede acceder». Por lo tanto, resulta que el autoensamblaje está lejos de ser un proceso aleatorio en un vasto océano de posibilidades matemáticas. Al encontrar el enfoque adecuado, el equipo pudo aclarar los límites entre las configuraciones de autoensamblaje factibles e inviables.

Los autores del estudio publicado en Nature Physics descubrieron reglas geométricas que actúan como un panel de control maestro para el autoensamblaje de partículas. De izquierda a derecha: Maximilian Hübl, estudiante de doctorado de la ISTA, y Carl Goodrich, profesor adjunto. Crédito y copyright de la imagen: ISTA

Libro de reglas de una figura geométrica oculta
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Con el método de Hübl, el equipo se centró en los efectos de ajustar las concentraciones y las energías de enlace de las partículas en proceso de ensamblaje. Con el tiempo, este enfoque les ayudaría a determinar qué conjuntos de estructuras son “diseñables”.

“Utilizamos las energías de enlace como entrada para el cálculo. Como resultado, determinamos qué estructuras formarán las partículas y en qué cantidades”, explicó Hübl. “Esto nos permitió identificar restricciones que impiden que ciertos resultados se produzcan en las partículas”. Un ejemplo de estas restricciones es que obtener una estructura específica con un rendimiento del 100 % puede ser sencillamente imposible. En tal caso, una estructura adicional podría ser lo que los científicos denominan una «quimera necesaria», es decir, un subproducto inevitable, termodinámicamente ineludible en estas condiciones. Goodrich subrayó que «nuestro método podría explicar por qué algunos intentos de diseñar nanomateriales específicos resultan especialmente difíciles».

¿Qué marco teórico?
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Pero ¿qué marco teórico identificaron exactamente los científicos? En conjunto, las restricciones termodinámicas calculadas forman una forma matemática oculta que captura el rango de posibles resultados de ensamblaje: un «poliedro convexo de alta dimensión». Esta forma geométrica serviría como el «manual teórico» del autoensamblaje en equilibrio. «La estructura poliédrica demuestra que los ensamblajes en equilibrio siguen reglas que podrían servir como herramientas para nanotecnólogos y diseñadores moleculares», explicó Goodrich. «Esta física subyacente nos dice si una estructura objetivo dada es posible».

El modelo teórico del equipo de ISTA podría servir como panel de control principal para el diseño de nanoestructuras. El estudiante de doctorado Maximilian Hübl y el profesor adjunto Carl Goodrich con un modelo de juguete simplificado. Crédito y copyright de la imagen: ISTA

Origami de ADN
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Para comprobar la utilidad práctica de esta forma geométrica que rige el autoensamblaje, los científicos del ISTA colaboraron con investigadores del grupo Rogers en Brandeis, quienes emplean técnicas de física biológica y física de la materia blanda para comprender el autoensamblaje. Diseñaron y sintetizaron bloques de construcción triangulares de ADN origami y realizaron experimentos para validar la teoría. Al extender ADN monocatenario de los lados de los triángulos y ajustar sus secuencias para programar interacciones específicas, implementaron experimentalmente un conjunto de reglas teóricas de enlace. «Encontramos una sorprendente concordancia cuantitativa entre la teoría y el experimento, lo que confirma que, efectivamente, habíamos descubierto algunas de las reglas fundamentales del ensamblaje», afirmó Rogers.

Según los autores, los resultados experimentales son una clara evidencia de la aplicabilidad de la teoría en el mundo real. «En esencia, utilizamos nuestro manual geométrico para predecir los resultados experimentales sin modelar los detalles de las interacciones. Los experimentos se ajustaron estrechamente a los resultados previstos, sin que tuviéramos que revisar ninguna parte de la teoría ni ajustar ningún factor», afirmó Hübl. En consecuencia, además de identificar estructuras «diseñables», el manual teórico ha demostrado su utilidad práctica.

El patio de recreo de la naturaleza y sus planos
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Al descubrir la geometría subyacente que marca la diferencia entre lo que se puede construir y lo que no se puede crear, el equipo demostró los límites del autoensamblaje. «El autoensamblaje es esa locura que la naturaleza hace. Pero la teoría de Max explica por qué algunos intentos de replicarlo no funcionan y cómo podrían mejorarse. Es como tener un plano que traza los límites del terreno de juego de la naturaleza. En última instancia, este modelo podría servir como herramienta arquitectónica, un panel de control maestro para diseñar nanoestructuras», afirmó Goodrich.

Según el equipo, las aplicaciones probablemente incluirán el diseño inverso en una amplia gama de entornos experimentales, como el ensamblaje de proteínas de novo a partir de bloques de construcción más pequeños, nanopartículas de ADN y nanomáquinas sintéticas.

¿Qué es el ensamblaje de novo?
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El ensamblaje de proteínas de novo se refiere al proceso de diseño y construcción de nuevas proteínas desde cero, es decir, sin basarse en estructuras proteicas preexistentes. En biología computacional y bioquímica, esto implica predecir o diseñar la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos, o incluso crear secuencias completamente nuevas que formen proteínas con funciones específicas deseadas.

Al gunos conceptos clave:

Diseño desde cero: Se crean proteínas nuevas que no existen en la naturaleza, con estructuras y funciones específicas que pueden ser útiles para aplicaciones biomédicas, industriales o de investigación.

Predicción estructural: Utiliza algoritmos computacionales para predecir cómo una secuencia de aminoácidos se pliega en una estructura tridimensional estable.

Optimización funcional: El diseño no sólo busca una estructura estable, sino que también se orienta a que la proteína tenga una función particular, como unión a otras moléculas, catálisis, o ensamblaje en estructuras más complejas.

Ensamblaje de proteínas: En algunos casos, las proteínas diseñadas de novo pueden ensamblarse en complejos o estructuras supramoleculares, lo que amplía las posibilidades funcionales y estructurales.

¿En qué podría aplicarse?
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Nanotecnología: Construcción de nanomateriales basados en proteínas.

Biotecnología: Desarrollo de enzimas con nuevas funciones.

Medicina: Creación de proteínas terapéuticas específicas.

Investigación básica: Comprender mejor el plegamiento y la función proteica.

Citas
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El estudio A polyhedral structure controls programmable self-assembly fue publicado en Nature Physics (Una estructura poliédrica controla el autoensamblaje programable). Autores: Maximilian C. Hübl, Thomas E. Videbæk, Daichi Hayakawa, W. Benjamin Rogers & Carl P. Goodrich

Hübl, M.C., Videbæk, T.E., Hayakawa, D. et al. A polyhedral structure controls programmable self-assembly. Nat. Phys. (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03120-3

Received 27 January 2025 Accepted 29 October 2025 Published 08 January 2026 Version of record 08 January 2026

DOI https://doi.org/10.1038/s41567-025-03120-3

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