Download NANOTECNOLOGÍA Una definición formal de nanotecnología es

NANOTECNOLOGÍA
Una definición formal de
nanotecnología es: estudio, diseño,
creación, síntesis, manipulación y
aplicación de materiales, aparatos y
sistemas funcionales a través del
control de la materia a nano escala, y
la explotación de fenómenos y
propiedades de la materia a nano
escala.
Básicamente, en lo que consiste la
nanotecnología es en la manipulación
de los átomos y moléculas
(nanopartículas) para crear nuevas estructuras. Así se consiguen materiales con unas
propiedades distintas a las de los tradicionales.
-Un nanómetro (nm) es igual a 10-9metros.
-La escala de los átomos y las moléculas (el tamaño de los átomos está en torno a los
0,5-5 Armstrong).
En esta sección no se pretende hacer un estudio detallado sobre la nanotecnología, sino
únicamente aclarar este término y su relación con la biotecnología, presentando algunas
interesantes aplicaciones de lo que se conoce como bionanotecnología. En todos los
apartados se incluirán links a páginas que amplían la información.
En la siguiente página se puede encontrar información sobre la nanotecnología muy
completa y variada: concepto de nanotecnología, historia de la nanotecnología,
aplicaciones…y una gran colección de artículos sobre el tema a la que también se puede
acceder desde nuestra biblioteca (wiki a la biblioteca)
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia_que_es.htm
Esta página también contiene buena información sobre la nanotecnología en general y
en concreto, centrada en las aplicaciones en la industria farmacéutica.
http://c32cm30tepetatemportafolio.wordpress.com/2013/05/25/tecnologia-emergenteadministracion-de-farmacos-a-traves-de-nano-escala/
Las aplicaciones de la nanotecnología son incalculables por el hecho de que
nanotecnología sólo se refiere a la escala a la que se manipula la materia, pero no a los
elementos empleados, los objetos obtenidos ni el fin con que se hace. Así, las
aplicaciones van desde la construcción hasta la medicina pasando por el procesamiento
de alimentos o la producción de energía.
En el siguiente link se puede encontrar información sobre las principales aplicaciones de
la nanotecnología en los distintos sectores así como sobre los productos
nanotecnológicos que se encuentran hoy en día en el mercado.
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/aplicaciones_nanotecnologia/nan
otecnologia_aplicaciones.htm
RELACIÓN CON LA BIOTECNOLOGÍA
En nuestro trabajo vamos a centrarnos en la parte relacionada con nuestra carrera, la
denominada nanobiotecnología o bionanotecnología. La bionanotecnología se
caracteriza por emplear como nanopartículas moléculas biológicas, tales como
anticuerpos, proteínas o ADN , generalmente en combinación con nanoparticulas
inorgánicas, logrando la creación de
“máquinas” ´hibridas que podrán incluso
remplazar a sus homólogos “naturales” en
el cuerpo humano. Este campo es uno de
los más prometedores en la actualidad,
generador de emoción y esperanza, ya que
quizá albergue el secreto para vivir más
años o de la cura del cáncer o el SIDA. El
impacto que producirán estos avances en
la sociedad será tal que se habla de que
darán paso a una nueva era.
Más información sobre nanobiotecnología en el siguiente link:
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/bionanotecnologia.ht
m
El siguiente esquema representa las relaciones ente biotecnología, nanotecnología e
informática, tres campos amplios y prometedores.
ANTECEDENTES E HISTORIA
En este trabajo preferimos centrarnos en las aplicaciones de la nanotecnología
relacionadas con nuestra carrera más que en la historia de la nanotecnología en sí.
Igualmente, aportamos estas direcciones para los interesados.
Breve reseña histórica:
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia_que_es.htm
Tabla con hitos históricos a modo de curiosidad:
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/historia_nanotecnologia.htm--
APLICACIONES
A continuación vamos a explicar de manera clara y breve unas pocas de las
aplicaciones de la bionanotecnología. Hemos seleccionado las que nos han parecido más
interesantes, pero hay muchas otras que se pueden consultar en los siguientes sitios:
http://c32cm30tepetatemportafolio.wordpress.com/2013/05/25/tecnologia-emergenteadministracion-de-farmacos-a-traves-de-nano-escala/
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia_que_es.htm
NANOBIOSENSORES / NANOCHIPS DE ADN:
Los nanobiosensores son dispostivos de reducido tamaño cuya función es detectar la
presencia de una determinado analito (microorganismo, gen, molécula) en una muestra.
Como muestra se puede emplear, por ejemplo, una gota de sangre o de saliva de un
humano. No sólo permiten saber si el analito en cuestión está presente, sino también en
qué concentración. Además permiten obtener esta infomación de manera instantánea (en
tiempo real). Estas propiedades, unidas a sus pequeñas dimensiones, los convierten en
uno de los avances más importantes en nanobiotecnología con múltiples aplicaciones
que explicaremos después.
Lo interesante de estos
dispositivos es que están
formados por componentes
de escala nanométrica tanto
biológicos como artificiales.
Se ha conseguido combinar
materiales no vivos con
moléculas biológicas de
manera que formen un todo y
realicen juntos la función
deseada.
El componente biológico del nanobiosensor es el receptor. Ésta es la parte que entra en
contacto con la muestra y cuya función es unirse especificasmente con el analito. El
acoplamiento y las reacciones que se producen en esta parte son completamente
naturales, iguales a las que se producen entre el analito y las moléculas libres en el
cuerpo humano.
Como se quiere que únicamente se una el receptor con la sustancia de interés y no con
ninguna otra, es muy importante la especificidad.
Las enzimas tienen alta especificidad, ya que actúan sobre uno o muy pocos sustratos en
los que provocan una de todas las posibles transformaciones químicas. Por ello, las
enzimas son utilizadas como receptores para detectar la presencia de estos sustratos en
la muestra. Las más empleadas son las enzimas redox como catalasas o peroxidasas.
Empleando enzimas como receptores se puede detectar, por ejemplo, la presencia de
sustancias que supongan una amenaza biológica, como contaminantes, venenos…y
también conocer la cantidad existente de diversos sustratos, como por ejemplo glucosa.
Cuando se produce una infección, el sistema inmunitario puede actuar contra ella de
manera inespecífica (atacando a todas las partículas extrañas de la misma manera) o de
forma específica contra un antígeno determinado. En este último caso participan los
anticuerpos o inmunoglobulinas, moléculas que reaccionan sólo con un antígeno
concreto y con todos los demás no. La zona de unión con el antígeno, denominada
parátopo, se encuentra en una región hipervariable, que es distinta en cada anticuerpo.
La reacción antígeno- anticuerpo es así muy específica. Cada anticuerpo sólo se une con
los determinantes antigénicos complementarios. Por esta razón, también los anticuerpos
son buenos receptores para los nanobiosensores.
Los anticuerpos permiten detectar la presencia de un cierto microorganismo (virus,
bacteria…) que presente el antígeno complementario en su superficie o de sustancias
tóxicas liberadas por él (toxinas). Así se puede conocer la existencia de una enfermedad
infecciosa.
Pero los antígenos no se encuentran sólo en los microorganismos. Todas las células de
los vertebrados los presentan en su superficie. En este caso se denominan antígenos de
histocompatibilidad y son característicos de cada individuo. Son lo que permite al
cuerpo diferenciar lo propio de lo extraño. Cuando una célula se vuelve cancerígena,
aparecen en su superficie antígenos tumorales. Los biosensores con anticuerpos se
pueden emplear así también en la detección de cáncer.
El ADN puede formar una
doble hélice de dos cadenas
debido a la complementariedad
entre las bases: adenina se une
con timina y guanina se une
con citosina. Así cada
secuencia de bases de ADN
tiene una cadena
complementaria a la que se une
específicamente y esta cadena
puede ser otra hebra de ADN o
un ARN.
Empleando una secuencia de ADN o ARN como receptor, se puede detectar la
presencia de la cadena complementaria. Esto tiene gran interés, ya que mediante
nanobiosensores se podría conocer la presencia de un gen determinado. De esta manera
se pueden detectar enfermedades genéticas o mutaciones. Una aplicación muy
importante es la posibilidad de detectar oncogenes y así poder diagnosticar cáncer en
estadios tempranos.
El transductor es el componente abiótico que traduce los cambios que se producen
cuando el receptor se une al analito en una señal cuantificable.
Los tansductores pueden detectar cambios de distinta naturaleza: fundamentalmente
electroquímicos, también ópticos, cambios de masa o de entalpía. Producen una señal
eléctrica proporcional a la cantidad de analito. Esta señal llega a un ordenador con un
programa especial para el monitoreo de la señal. Así los resultados se pueden ver en una
pantalla.
Más información sobre nanobiosensores:
http://www.ellitoral.com/index.php/diarios/2009/01/07/medioambiente/MED-02.html
http://www.cicnetwork.es/upload/pdf/secciones/investigacion1.pdf
http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2007/04/17/nanobiosensores-opticos/
Vídeo (de una hora) de Beatriz López Ruíz, facultad de farmacia de la Universidad
Complutense de Madrid http://www.youtube.com/watch?v=VxKQract4ac
Vídeo breve (unos 4 minutos) muy bueno (en inglés).
http://www.youtube.com/watch?v=qaFdm6Qj7A4
CHIPS GENÉTICOS
Siguiendo por la línea de emplear material
genético como receptor nos encontramos
con uno de los productos más
sorprendentes de la bionanotecnología. Se
trata del chip genético, también conocido
como ADN array , ADN chip,
oligonucleotide array o gene chip.
Los chips genéticos consisten en un
soporte físico con numerosos fragmentos
de ADN unidos a él. Cada uno de estos fragmentos corresponde a un gen. Los
fragmentos se encuentran ordenados según lo que codifiquen: hormonas, enzimas…
Los chips que se utilizan hoy en día contienen gran cantidad de fragmentos por
centímetro cuadrado (entre 9.000 y 40.000). Por ello, es posible tener todos los genes
humanos en un único chip.
El chip genético no sirve para determinar el genoma (el ADN que está dentro en el
núcleo), sino la parte de este que se está utilizando (expresando) en un momento
concreto en la célula.
Explicación simple del dogma central de la biología molecular importante para entender
lo siguiente:
http://biocelular.wikispaces.com/Dogma+central+de+la+biologia+molecular
A partir del ADN que está en el núcleo se
forma ARN mensajero (transcripción) que
llegará a los ribosomas para la síntesis de
una proteína (traducción). No todo el ADN
se transcribe en todas las células, sino que
dependiendo del tipo celular y de las
condiciones ambientales, se formarán los
ARN mensajeros que den lugar a las
proteínas que se necesiten. La cantidad de
un cierto ARN mensajero será mayor cuanto
mayor necesidad haya de la proteína
asociada.
Pues bien, lo que hace el chip genético es
determinar los ARNs presentes en un tejido
en un momento concreto, los genes que se
están expresando. Esto se denomina
transcriptoma y a diferencia del genoma, es
cambiante.
Cuando cambien las condiciones
microambientales (temperatura, pH,
presencia de hormonas…) cambiará el
número de ARN de cada tipo. Así, el chip genético se emplea para medir los cambios
que experimenta un tejido en unas determinadas condiciones. Para ello es necesario un
control que consiste en el tejido en condiciones “normales” y lo que se va a conocer es
qué genes se están expresando y cuales se están expresando menos en comparación con
el control.
Para ello se siguen estos pasos:
1-Se aíslan los ARN de ambos
tejidos y,a partir de ellos, se
sintetizan las cadenas
complementarias de ADN.
2-Se marcan las cadenas
complementarias de ADN con un
compuesto fluorescente distinto en
cada caso. Las del tejido control
suelen marcarse con uno que emita
fluorescencia amarilla y las del
tejido objeto de estudio, roja.
3-Se mezclan las cadenas de ADN
sobre el chip. Éstas se van a unir
con su cadena complementaria
perteneciente al chip.
4-Si se han unido más secuencias de ADN procedentes del control predominará el color
amarillo; si es al contrario predominará el color rojo. Si están en una proporción similar,
el programa informático del lector de chips asignará el color verde. Esto ocurre en cada
“casilla”, es decir para cada gen.
5-Los resultados se interpretan. Por ejemplo, si resulta que la casilla correspondiente a
un determinado gen aparece en rojo, significa que en el tejido estudiado hay mayor
cantidad de ARN mensajero que lleva la información de ese gen que en el control, por
lo tanto en el tejido estudiado ese
gen se está expresando más.
Estos chips permiten saber cómo
va a reaccionar un tejido a ciertos
cambios, pero lo más importante es
que permiten conocer el
funcionamiento de los genes en su
conjunto y no de cada uno por
separado.
Una aplicación importante es la
detección de enfermedades. Si se
comparan los transcriptomas de un
tejido infectado y uno sano se
obtendrá un patrón determinado de colores, el patrón de esa enfermedad. Si cuando se
compara una muestra de un paciente con el tejido sano aparece el mismo patrón, es
probable que padezca la enfermedad.
Más sobre los chips genéticos:
Explicación general. http://es.wikipedia.org/wiki/Chip_de_ADN
La que sigue es un artículo más detallado sobre el funcionamiento del chip, su
fabricación y sus aplicaciones.
http://www.archbronconeumol.org/es/chip-genetico-adn-array-el/articulo/13020094/
SISTEMAS DE ANÁLISIS NANO-TOTALES
El chip genético es un ejemplo de sistema de análisis nano-total o “chip de
nanolaboratorio”. Estos chips se caracterizan por llevar a cabo análisis completos
(reacción, separación y detección) en un único chip, de ahí viene su nombre: son como
un laboratorio en miniatura. Por ello, proporcionan información de manera más rápida y
económica.
Aparte del ARN mensajero, estos chips se pueden emplear para conocer la presencia y
cantidad de otras moléculas biológicas, por ejemplo proteínas y distintos ácidos
orgánicos. Así, se pueden aplicar en áreas como el diagnóstico clínico, secuenciación
genómica, control medioambiental y seguridad alimentaria.
Un ejemplo de aplicación es la creación de
un laboratorio sanguíneo en miniatura bajo
la piel que permita analizar la concentración
de distintas sustancias en la sangre y
mandar los resultados al médico de manera
instantánea. Este dispositivo sería de gran
utilidad a los pacientes con enfermedades
crónicas o que están recibiendo
quimioterapia.
El artículo siguiente incluye una
información más detallada sobre este avance.
http://www.docsalud.com/articulo/4479/nanolaboratorio-bajo-la-piel-
TERAPIA GÉNICA:
Para ver el apartado dedicado a terapia génica (parte de biotecnología roja) click aquí (y
aquí iría un wiki).
Los vectores tradicionales son los virus aunque también se emplean vectores no virales
como complejos entre lípidos y polímeros con ADN .
la terapia génica exitosa depende del desarrollo de vectores génicos seguros y eficaces,
como es el caso de las nanopartículas de ADN o ARN ,
http://www.razonypalabra.org.mx/N/n68/7Arregui.pdf -->muy bien explicado
Más sobre terapia génica:
Información completa: definición, tipos de terapia génica, vectores empleados,
historia… http://es.wikipedia.org/wiki/Terapia_g%C3%A9nica
Información sobre terapia génica y terapia celular y comparación de ambas. Incluye un
vídeo muy bueno de 20 minutos sobre Terapia Génica creado por el Centro de
Biotecnología Animal y Terapia Génica (CBATEG).
http://www.setgyc.es/informaci%C3%B3n-de-inter%C3%A9s/introducci%C3%B3n-ala-terapia-g%C3%A9nica-y-la-terapia-celular.aspx 
Avances en materia de terapia génica y sus limitaciones en la actualidad.
http://www.terapiagenica.es/
Artículo “Los nanotubos de carbón ofrecen nuevas técnicas de terapia genética”
http://www.euroresidentes.com/Blogs/avances_tecnologicos/2004/10/los-nanotubos-decarbn-ofrecen-nuevas.htm
APLICACIÓN DE MEDICAMENTOS
“Uno de los principales problemas de la industria farmacéutica es el incremento de la
eficiencia en el método de administración o entrega del medicamento en el cuerpo
humano. Mucha de la efectividad del medicamento se pierde debido a la ineficiente
absorción en el flujo sanguíneo y otros obstáculos a lo largo del camino.”
http://noticias-nanotecnologia.euroresidentes.com/2005/10/aumentado-la-efectividadde-los.html
La mitad de los medicamentos útiles son hidrofóbicos ,por lo tanto son insolubles y su
aplicación complicada. Empleando partículas frarmacológicas más pequeñas
(nanopartículas), se podría mejorar en gran medida la administración. Gracias a la
nanotecnología también se pueden crear nuevos materiales de alta porosidad que
permitan una aplicación
más controlada de los
medicamentos.
Por otro lado, los
nanosensores también
pueden emplearse para
conseguir un mejor (más
rápido y sensible) cribado
de fármacos, actualmente
uno de los factores
limitantes en química
combinacional, en el área
de descubrimiento y
desarrollo de
medicamentos.
Un nanosensor puede, por ejemplo, combinarse con un sistema de aplicación de
fármacos a nanoescala para dispensar las cantidades ópticas de los medicamentos para
maximizar su eficacia.
Una aplicación de la bionanotecnología en farmacia sería la combinación de un sistema
de administración de fármacos a nanoescala con un nanobiosensor como los explicados
anteriormente. El nanobiosensor puede detectar la concentración de ciertas sustancias en
la sangre y, a partir de los resultados, controlar la administración del fármaco. Esto sería
útil por ejemplo para la aplicación de insulina a los pacientes diabéticos.
En la siguiente dirección hay información muy completa y detallada sobre las
aplicaciones de la nanotecnología en farmacia.
http://c32cm30tepetatemportafolio.wordpress.com/2013/05/25/tecnologia-emergenteadministracion-de-farmacos-a-traves-de-nano-escala/
BIOPROCESOS A NANOESCALA ORIENTADOS HACIA
LA BIOREPARACIÓN MEDIOAMBIENTAL:
Un problema que presentan muchos contaminantes tóxicos es que las reacciones que
llevan a su eliminación son sumamente lentas (muchas de ellas redox) por lo que se
acumulan. Recientemente se ha descubierto que algunos nanocristales como el TiO2
pueden actuar como fotocatalizadores acelerando considerablemente dichas reacciones.
Éstos pueden utilizarse en combinación con microorganismos para desmenuzar
contaminantes tóxicos, por ejemplo, metales pesados.