El uso de nanotubos de carbono en terapia génica

Nanotubos usados en la ciencia

La utilización de nanotubos de carbono funcionalizados (f-CNT) en biomedicina y en terapia génica, ofrece nuevas posibilidades para su uso como “nanovectores”, debido a su capacidad para penetrar en las células con facilidad. Estos sistemas ayudan en el proceso de transferencia de un gen exógeno a la célula, facilitando la entrada y biodisponibilidad intracelular del mismo, de tal modo que éste pueda funcionar correctamente
En la actualidad uno de los problemas que se plantean en terapia génica es cómo manejar adecuadamente el ADN para poder realizar las modificaciones oportunas: eliminar genes no deseados, implantar nuevos… Debido a sus características químico-estructurales el ADN no puede atravesar la membrana celular y por tanto es necesario disponer de las herramientas necesarias, de nanotransportadores, que nos posibiliten llevar a cabo las modificaciones deseadas. Hasta ahora, esta función era llevada a cabo principalmente por virus. Sin embargo, la utilización de virus entraña ciertos riesgos que se deben tener en cuenta; aunque estos virus se eligen atendiendo a su seguridad de empleo, no puede descartarse una posible recombinación genética entre el virus y las células sobre las que queremos actuar, lo cual puede originar partículas víricas replicativas capaces de infectar otras células. La nanotecnología es un campo multidisciplinar que permitirá manipular materiales, tejidos, células y ADN a nivel celular, siendo los nanotubos de carbono una de sus herramientas más versátiles. Los nanotubos de carbono pueden visualizarse como una superficie de átomos de carbono enrollada sobre sí misma, semejante a un cilindro hueco; es lo más próximo que se conoce a lo que sería una estructura unidimensional. El principal inconveniente que plantea su uso en las células es su carácter apolar (el medio celular es fundamentalmente acuoso), por ello estos nanotubos son ligeramente modificados para dar lo que se conoce como nanotubos funcionalizados (f-CNT). Una de las posibles modificaciones llevadas a cabo por un equipo de investigadores, consistió en enlazar al exterior de los nanotubos cadenas formadas por átomos de carbono y oxígeno, con grupos aminos (-NH3 +) cargados positivamente. Con esta funcionalización se lograron dos cosas: Por un lado se consigue que los nanotubos sean solubles en el medio celular (lo que posibilita su utilización). Por el otro, se les dota de un conjunto de cargas positivas que permiten atraer al ADN. Uno de los componentes de los ácidos nucleicos son los fosfatos cargados negativamente que interaccionarán por atracción electrostática con las cargas positivas de los nanotubos funcionalizados, permitiendo su fijación. Además los nanotubos cuentan con la ventaja de que no desestabilizan la membrana de la célula al penetrarla. La nanotecnología ofrece aplicaciones terapéuticas, como la que hemos visto de nanotubos de carbono empleados en terapia génica, que hasta hace bien poco eran impensables. Las aplicaciones de los f-CNT no acaban aquí y en un futuro muy próximo podrán utilizarse también como nanobiosensores para el diagnóstico precoz de enfermedades o en el desarrollo de terapias contra el cáncer.

Nanotecnología y Medio Ambiente

SENSORES NANOMÉTRICOS

El alarmante aumento de los índices de contaminación medioambiental está generando un creciente e imprescindible interés en el control y regulación de las emisiones contaminantes. En la atmósfera aparecen cada vez con mayor frecuencia gases como el CO o el NO2, en concentraciones altamente peligrosas para nuestra salud y para el Medio Ambiente. Por lo tanto, en la actualidad se están intentendo desarrollar dispositivos capaces de detectar éstos y otros gases en pequeñas concentraciones. Además de en aplicaciones medioambientales, el uso de estos sensores de gases se requiere en otros campos como la medicina, el uso doméstico o el industrial. La mayoría de estos dispositivos son capaces de detectar gases en pequeñas concentraciones de incluso partes por millón (ppm), sin embargo aún puede mejorarse la eficiencia de respuesta de estos sensores, así como aumentar los niveles de detección, la selectividad o la sensibilidad ante un mayor número de gases. El constante desarrollo de la nanotecnología ha permitido conseguir estos objetivos gracias al elevado grado de control alcanzado en la síntesis e implementación de materiales nanoestructurados con dimensiones cada vez más pequeñas. La mayoría de estos sistemas detectores de gases funcionan modulando como una respuesta eléctrica, las variaciones de conductividad provocadas por un entorno gaseoso determinado. Cuanto mayor sea la superficie de contacto entre la atmósfera y el detector, mayor será el número de moléculas gaseosas que reaccionen. Por lo tanto se fabrican sensores a partir de materiales compuestos por granos de dimensiones nanométricas, puesto que de esta forma aumenta la relación entre la superficie y el volumen del sistema detector, y en consecuencia la respuesta del material. Trabajos como los de Rella, publicados en la revista Sensors & Actuators, demuestran la elevada respuesta que presentan sensores de óxido de estaño (SnO2) compuestos por granos de 10 nm, ante gases como CO y NO2. Si bien el SnO2 es el material empleado con mayor profusión en la fabricación de sensores de gases, igualmente se emplean otros óxidos semiconductores como el TiO2 o el WO3. Pero la Nanotecnología presenta otras alternativas en el desarrollo de dispositivos sensores de gases, como son el dopado con nanopartículas de paladio y la utilización de nanotubos de carbono. Al recubrir los nanotubos con una serie de enzimas específicas (ECNT), se han conseguido realizar análisis químicos para fines médicos y medioambientales.

Nuevas tecnologías para la fabricación y caracterización de materiales compuestos nanoestructurados

El Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la URJC dispone de un nuevo laboratorio (NANO-LABÜ) para la caracterización micro- y nanomecánica de materiales.

Las nanotecnologías se presentan hoy en día como un avance que incidirá sobre todos los sectores de la economía. Su aplicación concreta en el campo de la Ingeniería de Materiales abre la puerta al diseño y modificación de las propiedades de muchos de los materiales ya conocidos, de forma más radical de lo hasta ahora conseguido, así como posibilita la creación de materiales completamente nuevos. Estos materiales acceden a nuevas propiedades y explotan con mayor efectividad la sinergia resultante de la combinación de diferentes materiales, aunque esto sólo es posible cuando la estructura y la física fundamental asociadas a una propiedad convergen a escala nanométrica. Es de prever, por tanto, que la capacidad de actuar sobre la estructura de los materiales a escala nanométrica producirá efectos de gran alcance sobre todos los sectores de la economía.

Dentro de esta nueva familia de materiales se encuentran los materiales compuestos nanoestructurados (nanocomposites) que son un ejemplo de la aplicación de la nanoescala y su tecnología asociada al desarrollo de una amplia serie de combinaciones revolucionarias de materiales. En los nanocomposites se persigue la combinación de una matriz continua que, en principio, puede poseer naturaleza polimérica, metálica o cerámica, junto a un refuerzo a escala nanométrica (nanopartículas, nanoláminas, nanofibras o nanotubos). Para la integración del nanorefuerzo a la matriz es necesario llevar a cabo un conjunto de procesos físicos y químicos que difieren para cada sistema matriz /refuerzo y que, hasta la fecha, no están suficientemente establecidos. La utilidad de cada uno de estos procedimientos y de los materiales resultantes dependerá, en gran medida, de que ese proceso permita obtenerlo en cantidad, calidad y forma acordes con su uso funcional y bajo costo. En la actualidad industrias como la aeronáutica, la automoción, la de generación de energía, etc.; están muy interesadas en la producción de este tipo de materiales por sus potenciales ventajas frente a los actualmente utilizados.

Sin embargo, muchos de los avances y desarrollos previsibles están condicionados no sólo por la puesta a punto de las nuevas tecnologías de fabricación y procesado a escala nanométrica, sino también por el desarrollo de las técnicas y, sobre todo, de la base de conocimiento necesarios para la medida y caracterización de propiedades a esa nueva escala de diseño y fabricación. En el caso concreto de los materiales compuestos nanoestructurados, la determinación de las propiedades mecánicas a nivel nano- y microescalar es un requisito determinante para poder conocer los mecanismos de aumento de resistencia que participan a ese nivel y optimizar el comportamiento mecánico, incluso a escala macroscópica.

Bajo estas premisas, el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Rey Juan Carlos, dirigido por el Prof. Alejandro Ureña Fernández, viene trabajando desde hace unos años en una doble línea de actuación. Por un lado, la de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con nanofibras de carbono con el objetivo de lograr incrementos sensibles de sus propiedades mecánicas (rigidez y resistencia) con pequeñas adiciones de nanorefuerzo. Por otro, la puesta a punto de técnicas de caracterización y medida que combinan la nanoindentación con sistemas de microscopías de proximidad, como es el caso de la microscopía de fuerzas atómicas (AFM), para analizar el comportamiento a escala micro- y nanomecánica de éstos y otros materiales. Ambas líneas de trabajo forman parte de una nueva unidad de dicho departamento, denominada Laboratorio de Caracterización Nanomecánica y Nanoestructural (NANO-LABÜ) que está integrada en la Red de Laboratorios (rla) del sistema madrid.

Nanoindustria y Aplicaciones

En este momento hay casi 500 productos desarrollados en diferentes tipos de industrias, que la gente común está utilizando, que son o tienen aplicaciones nanotecnológicas. Protectores solares, cosméticos que contienen nanopartículas que facilitan la absorción; raquetas de tenis más ligeras y más resistentes compuestas de nanotubos de carbón; comida con aditivos alimentarios específicos; ropa que no se arruga y repele las manchas o computadoras con nanochips en su interior.
La nanoindustria está en desarrollo y a la vez en estado embrionario, lejos aún de usos masivos y cotidianos, lugares hoy todavía ocupados, indiscutiblemente, sólo por la microelectrónica.
Avances que impactarán en la industria textil, cosmética, farmacéutica, de electrodomésticos, higiene, construcción, comunicaciones, energía, seguridad y defensa, y exploración espacial.
Nuestro entorno también se beneficiará, en tanto que la producción de energía será más económica y limpia y se utilizarán materiales más ecológicos.
Aplicaciones en desarrollo
Queremos mencionar, por tratarse de desarrollos estratégicos, estos tres ejemplos en los cuales la química está fuertemente involucrada:
Construcción de nanorrobots del tamaño de un escarabajo. El aporte de la química en el ensamblaje de los átomos (como si fueran pequeños ladrillos o piezas de Lego) y el aporte de la robótica abren el camino a lo que hoy parece inalcanzable. Los nanorrobots son una pieza fundamental de la nanotecnología bottom-up, tanto para el autoensamblaje como el ensamblaje exponencial.
“Cosecha” de energía solar. Son proyectos estratégicos de búsqueda de alternativas de energía a la crisis del petróleo y sus derivados y el calentamiento global.



Aplicaciones en desarrollo



Queremos mencionar, por tratarse de desarrollos estratégicos, estos tres ejemplos en los cuales la química está fuertemente involucrada:
Construcción de nanorrobots del tamaño de un escarabajo. El aporte de la química en el ensamblaje de los átomos (como si fueran pequeños ladrillos o piezas de Lego) y el aporte de la robótica abren el camino a lo que hoy parece inalcanzable. Los nanorrobots son una pieza fundamental de la nanotecnología bottom-up, tanto para el autoensamblaje como el ensamblaje exponencial.
“Cosecha” de energía solar. Son proyectos estratégicos de búsqueda de alternativas de energía a la crisis del petróleo y sus derivados y el calentamiento global.

Los ingenieros están simulando el sol brillando sobre los paneles solares, mientras chequean el voltaje producido. El grupo de video piensa que es el momento de obtener una buena fotografía. Y tienen mucha razón.La imagen es cortesía de NASA

Células solares plásticas. Dirigidas a una nanotecnología del uso de células solares, implantadas en un plástico que las contiene.

Nanomáquina

Una nanomáquina es un mecanismo cuya talla se expresa en nanómetros, siendo un nanómetro la milésima parte de un micrómetro o la millonésima parte de un milímetro, y capaz de interactuar con los objetos accesibles a esa escala. Aunque el término también designa cualquier maquinaria microscópica. El dominio de estudio de las nanomáquinas es la nanotecnología.
Existen quienes creen que será posible en el futuro construir nanomáquinas capaces de manipular objetos en la escala molecular, de tal modo que sea posible construir moléculas sobre pedido, tal idea se le llama nanotecnología molecular.
Aunque ya existen mecanismos y métodos capaces de construir ingenios de talla microscópica (incluso atómica), la idea de una máquina microscópica capaz de ensamblar moléculas sobre pedido es todavía una simple especulación.
La escala en que son utilizadas las nanomáquinas provoca que éstas se elaboren con métodos particulares, y que funcionen con principios fundamentalmente diferentes de la tecnología en la micro y mesoescala. A la escala microscópica, se tornan significativos factores como la tensión superficial y las fuerzas electrostáticas. Y para los mecanismos realmente en la escala de los nanómetros, las fuerzas de Van der Waals o los fenómenos cuánticos.

Los Inversionistas

Algunos países en vías de desarrollo ya destinan importantes recursos a la investigación en nanotecnología. La nanomedicina es una de las áreas que más puede contribuir al avance sostenible del Tercer Mundo, proporcionando nuevos métodos de diagnóstico y cribaje de enfermedades, mejores sistemas para la administración de fármacos y herramientas para la monitorización de algunos parámetros biológicos.Actualmente, alrededor de 40 laboratorios en todo el mundo canalizan grandes cantidades de dinero para la investigación en nanotecnología. Unas 300 empresas tienen el término “nano” en su nombre, aunque todavía hay muy pocos productos en el mercado.Algunos gigantes del mundo informático como IBM, Hewlett-Packard (HP), NEC e Intel están invirtiendo millones de dólares al año en el tema. Los gobiernos del llamado Primer Mundo también se han tomado el tema muy en serio, con el claro liderazgo del gobierno estadounidense, que para este año ha destinado 570 millones de dólares a su National Nanotechnology Initiative.En España, los científicos hablan de “nanopresupuestos”. Pero el interés crece, ya que ha habido un par de congresos sobre el tema: en Sevilla, en la Fundación San Telmo, sobre oportunidades de inversión, y en Madrid, con una reunión

Nanotecnología avanzada

La nanotecnología avanzada, a veces también llamada fabricación molecular, es un término dado al concepto de ingeniería de nanosistemas (máquinas a escala nanométrica) operando a escala molecular. Se basa en que los productos manufacturados se realizan a partir de átomos. Las propiedades de estos productos dependen de cómo estén esos átomos dispuestos. Así por ejemplo, si reubicamos los átomos del grafito de la mina del lápiz podemos hacer diamantes. Si reubicamos los átomos de la arena (compuesta básicamente por sílice) y agregamos algunos elementos extras se hacen los chips de un ordenador.A partir de los incontables ejemplos encontrados en la biología se sabe que miles de millones de años de retroalimentación evolucionada puede producir máquinas biológicas sotisficadas y estocásticamente optimizadas. Se tiene la esperanza que los desarrollos en nanotecnología harán posible su construcción a través de algunos significados más cortos, quizás usando principios biomiméticos. Sin embargo, K. Eric Drexler y otros investigadores han propuesto que la nanotecnología avanzada, aunque quizá inicialmente implementada a través de principios miméticos, finalmente podría estar basada en los principios de la ingeniería mecánica.Determinar un conjunto de caminos a seguir para el desarrollo de la nanotecnología molecular es un objetivo para el proyecto sobre el mapa de la tecnología liderado por Instituto Memorial Battelle (el jefe de varios laboratorios nacionales de EEUU) y del Foresigth Institute. Ese mapa debería estar completado a finales de 2006.