NANOTECNOLOGÍA

Izquierda: la superficie de la hoja repele el agua...¿por qué?. Derecha: la fotografía por microscopía electrónica de barrido muestra que la superficie de la hoja tiene una estructura nanométrica que repele las gotas de agua.

📚📙🔬🔬 ¡Hola Lectores!🔬🔬📘📚

En esta ocasión les traigo un tema muy actual, como se dice en inglés The State of the Art en ciencia, es decir, lo más reciente en el desarrollo de un producto, una técnica o un avance científico que incorpora la tecnología, las ideas y las características más recientes sobre un tópico particular. Se trata del mundo nanométrico 🔬. 

Nanopartículas y Nanobiotecnología:

¿Que es una nanopartícula? Primero debemos saber a que llamamos NANO. Este prefijo denota una dimensión, una medida. En particular llamamos nanómetro a la unidad de longitud del Sistema Internacional de Unidades (SI) que equivale a una mil millonésima parte de un metro (1 nm = 10−9 m= 0,000000001 m) o a la millonésima parte de un milímetro. 

El símbolo del nanómetro es nm. De acuerdo a la definición usualmente aceptada en la comunidad científica internacional, las nanopartículas poseen dimensiones comprendidas entre 1 nm y 100 nm, aunque algunas nanopartículas presentan dimensiones de varios cientos de nanómetros. Digamos que dentro de lo NANO estamos hablando siempre de partículas < 1000 nm.

Por lo tanto, una nanopartícula es un objeto o partícula cuyas dimensiones están en la escala nanométrica. La siguiente tabla muestra las unidades para pasar de m a nm:

¡¡Estamos hablando de partículas más pequeñas que una bacteria🔬!!. Si nos preguntamos si existen las nanopartículas naturales, basta con pensar en las proteínas, los virus, el ADN o el ARN que están en el orden de los nm y...¡ahí están las nanopartículas que forman parte de nuestro mundo natural desde siempre!

Como comentaba en el artículo de Biotecnología, la ciencia se ha dedicado a estudiar lo que nos muestra el mundo natural, a aprender y a crear nuevas tecnologías en base a lo observado. 

En este campo en particular; el mundo nano se descubrió como producto del avance en la tecnología de la microscopía, la biología molecular, la bioquímica, la química y la física.  Es decir, la Nanotecnología y la Nanobiotecnología son campos multidisciplinarios.

La definición de Nanobiotecnología comprende dos grandes áreas: 

🔬1) La aplicación de herramientas, componentes y procesos de la Nanotecnología a los sistemas biológicos, con fines diagnósticos o terapéuticos. 

🔬2) El uso de sistemas biológicos como moldes para el desarrollo de nuevos productos de escala nanométrica.

La interacción con biosistemas, incluyendo proteínas, anticuerpos, enzimas, bacterias y células de mamíferos se está haciendo popular para varias aplicaciones. Entre ellas, podemos mencionar la liberación controlada de drogas, la cromatografía de inmunoafinidad, la construcción de biosensores o  biorreactores. También se ha avanzado en la encapsulación de células para el desarrollo de órganos artificiales o ingeniería de tejidos. 

Sin embargo, lo que aparece como un verdadero desafío para los investigadores de diversas disciplinas, es su relación con las aplicaciones biomédicas. A la vanguardia de la investigación en esta área, se encuentra el desarrollo de métodos para tratamientos, diagnósticos, seguimiento y control de diversos sistemas biológicos. 

En la actualidad se utilizan numerosas nanopartículas que pueden estar constituidas de materiales orgánicos, inorgánicos o incluso híbridos. A su vez, las nanopartículas pueden ser biodegradables. 

¿Como se fabrican las nanopartículas?

La síntesis de las nanopartículas generalmente se realiza en condiciones termodinámicas controladas y a partir de átomos o moléculas. Se suele denominar a las estrategias de formación de nanopartículas del tipo Top-down ('de arriba hacia abajo') o Bottom-up ('de abajo hacia arriba'). 

Esto significa que dichas partículas pueden obtenerse desde una estructura más grande (de arriba a abajo) o construirse a partir de partículas más pequeñas (de abajo hacia arriba). En Biología, la opción bottom-up es la más utilizada.

De esta forma pueden obtenerse nanopartículas especialmente diseñadas para aplicaciones  que afectan a las industrias de la electrónica, telecomunicaciones, biológicas, farmacéuticas, químicas, automotoras, aeroespaciales y de energía. 

En todos los casos las propiedades físicas y químicas son extremadamente importantes porque van a determinar el correcto funcionamiento de las nanopartículas así como su grado de toxicidad o inocuidad.

Ejemplos de los usos prácticos de las nanopartículas

Dentro de las aplicaciones se destaca el direccionamiento de drogas, para lo cual las nanopartículas utilizadas deben poseer características específicas para alcanzar el sitio de acción para el que fueron diseñadas. 

En este sentido es necesaria una adecuada combinación de numerosos factores como el tamaño, las características hidrofílicas e hidrofóbicas y la biodegradabilidad. Por otra parte, es importante dilucidar la forma de incorporación de la droga deseada (encapsulación, adsorción, unión covalente, etc.) y, la  posibilidad de realizar modificaciones funcionales en su superficie. 

Otra de las áreas donde se estudia el uso de nanopartículas es la del bioanálisis, en la que se utilizan actualmente numerosos tipos de materiales dentro de los cuales podemos mencionar a las nanopartículas metálicas, comúnmente de oro (Au) y de plata (Ag)

Los llamados puntos cuánticos (quantum dots) que son cristales semiconductores de CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, PbS y PbTe con diámetros comprendidos entre 2 y 10 nm que poseen mayor estabilidad y fluorescencia que los fluoróforos orgánicos. Además son mucho más estables y duraderos, lo que es una gran ventaja para el diseño de kits de diagnóstico, por ejemplo, para marcar anticuerpos.

Aplicaciones biológicas de las nanopartículas

Por último, las nanopartículas magnéticas y las nanopartículas de sílica que despertaron gran interés debido a la posibilidad de introducir grupos funcionales en sus superficies (ejemplo de tecnología bottom-up), de esta forma se han logrado interacciones de alta afinidad entre las nanopartículas y las biomacromoléculas, como por ejemplo, el ADN que se muestra en la siguiente figura.

En general, las nanopartículas mas grandes son incorporadas por fagocitosis, mientras que las mas pequeñas son incorporadas por endocitosis. Se describió que el radio óptimo para ser internalizadas por endocitosis es de 25-30 nm. Para otro tipo de células, por ejemplo las HeLa (ver explicación de cultivo celular), el radio óptimo es de 50 nm. 

Además del tamaño, la concentración también afecta la incorporación de las nanopartículas. De esta forma, se ha demostrado que a bajas concentraciones, las nanopartículas aparecen dispersas en todo el citoplasma de la célula y a concentraciones elevadas se las encuentra en vacuolas fagocíticas. De la misma manera, nanopartículas cargadas negativamente penetran en la célula, llegando a ser detectadas en el núcleo, mientras que las cargadas positivamente no muestran localización nuclear.

Como verán, la nanotecnología y la nanobiotecnología son campos de la ciencia en plena expansión. Es un mundo fascinante que abre posibilidades a nuevas terapias, tecnologías y amplía el mundo interdisciplinario. Después de todo, la ciencia es muy amplia y cada disciplina aporta su experiencia en favor de un avance mayor.

Referencias

Soy Licenciada en Ciencias Biológicas y tengo un PhD en Química Biológica. Escribo esta página basada en mi experiencia como docente e investigadora y utilizo fuentes de información confiables para la redacción de los artículos:

1. “Chimie douce”: A land of opportunities for the designed construction of functional inorganic and hybrid organic-inorganic nanomaterials. https://doi.org/10.1016/j.crci.2009.06.001