sábado, 19 de mayo de 2018

La nanopartícula exómero y el cáncer

En el artículo “Identification of distinct nanoparticles and subsets of extracellular vesicles by asymmetric flow field-flow fractionation” publicado en la revista Nature Cell Biology, se aplica una técnica de vanguardia para separar y clasificar  las partículas de tamaño nanométrico presentes en los exosomas secretados por células cancerígenas (contienen ADN, ARN, grasas y proteínas). Existe un gran interés por el estudio de los exosomas para el desarrollo de las revolucionarias biopsias líquidas. La técnica permitió separar dos subtipos de exosomas distintos y descubrir una nueva nanopartícula, denominada exómero. Todo el material genético de los exómeros se encuentra mucho más preservado con relación a los fragmentos de ácidos nucleicos libres en sangre expuestos a la desnaturalización con mucha facilidad.
Crédito: Nature Cell Biology
 
Los exómeros, las partículas más predominantes secretadas por las células cancerosas, tienen menos de 50 nanómetros de diámetro, en comparación con los exosomas pequeños (Exo-S), que varían de 60 a 80 nanómetros de diámetro, y los exosomas grandes (Exo-L), con dimensiones entre 90 y 120 nanómetros. Los exosomas y exómeros también presentan diferentes características biofísicas tales como rigidez y carga eléctrica. Cuanto más rígida es la partícula, más fácil es su absorción por las células, Por lo expuesto, los exómeros, más rígidos que los exosomas, son mensajeros más efectivos para transferir toda la información sobre el tumor a las células receptoras. También difieren en la forma de participar en el cáncer. Los exómeros llevan enzimas metabólicas al hígado, un órgano  fundamental para la descomposición de las drogas en formas no tóxica. Los exómeros se dirigen al hígado para "reprogramar" su función metabólica y favorecer la progresión del tumor. También transportan factores de coagulación de la sangre al hígado, donde pueden suprimir la función normal del hígado en la regulación de la coagulación. En cambio los exosomas Exo-L promueven la metástasis en los ganglios linfáticos, mientras los Exo-S pueden apoyar la metástasis a distancia. 
El descubrimiento de los exómeros conduce a una mejor  comprensión sobre el mecanismo del cáncer y la técnica desarrollada puede ser beneficiosa  para el estudio de poblaciones complejas de nanopartículas y su utilización como biomarcadores en nuevas pruebas de diagnóstico.

sábado, 12 de mayo de 2018

Nanoestructura del hueso humano

Las propiedades del hueso se pueden atribuir a su organización jerárquica, donde los elementos pequeños forman estructuras más grandes. Sin embargo, la organización a escala nanométrica y la relación entre los componentes principales del hueso (mineral y proteína) no se han entendido completamente. Recientemente, equipos de investigación de la Universidad de York y del Imperial College de Londres, han demostrado, utilizando imágenes 3D del mineral en hueso humano a escala nanométrica, que los cristales minerales tienen una estructura jerárquica integrada a  la estructura de mayor escala del esqueleto. Los resultados de la investigación se publicaron en el artículo “Fractal-like hierarchical organization of bone begins at the nanoscale” de la revista Science (3 de mayo 2018).
Crédito: Dr Roland Kröger
Los investigadores combinaron varias técnicas avanzadas basadas en la microscopía electrónica y descubrieron que los principales bloques de construcción de mineral a escala nanométrica son los nanocristales curvos en forma de aguja capaces de formar plaquetas más grandes y retorcidas semejantes a las paletas de una hélice. Las cuchillas se fusionan continuamente y dividen a lo largo de la fase proteica del hueso. El mineral y la proteína entrelazados forman redes continuas para proporcionar la fuerza esencial de los huesos funcionales. La combinación de los dos materiales de una manera jerárquica proporciona hueso con propiedades mecánicas superiores a las de sus componentes individuales. Además del gran número de estructuras anidadas, una característica común de todas ellas es una ligera curvatura, responsable de proporcionar una geometría retorcida. Por nombrar algunas: los cristales minerales son curvos, los hilos de proteína (colágeno) están trenzados, las fibrillas de colágeno mineralizadas se retuercen y los huesos completos tienen un giro, como los de la forma curva de una costilla. Los fractales (objetos cuya estructura se repite a diferentes escalas) son comunes en la naturaleza: se pueden ver patrones auto-similares en relámpagos, líneas costeras, ramas de árboles, nubes y copos de nieve. El estudio de la nanoestructura permite concluir que la estructura del hueso sigue un principio de orden fundamental en la naturaleza.

Lectura complementaria:

sábado, 5 de mayo de 2018

Investigar células vivas por dentro con nanomotores

La capacidad de los nanomotores para ingresar a una célula y moverse a través del espacio intracelular no es nueva. Estos motores a menudo se pueden controlar utilizando varios tipos de campos: químicos, magnéticos, acústicos y eléctricos. No obstante hasta el presente no se había logrado evitar el daño celular. 
Un equipo de investigadores de la India, en la publicación “Maneuverability of Magnetic Nanomotors Inside Living Cells” (Advanced Materials), ha creado nanomotores helicoidales que pueden penetrar y maniobrar dentro de una célula utilizando un campo magnético rotativo. Su manejo, en forma remota,  limita el efecto de la transducción mecánica y la producción de algún efecto adverso sobre la célula.
Crédito: GiroScience/Shutterstock
Probaron los nanomotores en diferentes células cancerosas y no cancerosas, para analizar y, al mismo tiempo, diseñar  su desplazamiento por el espacio intracelular. Los investigadores pudieron sintonizar el movimiento (hacia delante y hacia atrás) ajustando el sentido de rotación del campo. El control a través de la célula permite su utilización  para entregar una carga útil (fármaco) directamente en el citoplasma celular. La investigación ha proporcionado suficiente evidencia sobre la anisotropía, heterogeneidad y variabilidad del espacio temporal en el interior de la célula. Observando como los nanomotores se mueven a través del entorno celular se pueden realizar estudios para hacer estimaciones cuantitativas sobre las propiedades reológicas puntuales en la célula. 
Los nanomotores magnéticos helicoidales pueden constituirse tanto en la herramienta para sondear el interior de la célula como para hacer delivery de medicamentos transportándolos directamente al  citoplasma celular.

Lectura complementaria:
Maneuverability of Magnetic Nanomotors Inside Living Cells

sábado, 28 de abril de 2018

La biotecnología también juega en el Mundial.

El 14 de junio del 2006, unos días antes del Mundial de Fútbol de Alemania, publiqué en el diario Clarín el artículo "La biotecnología también juega en el Mundial". El artículo se lo utilizó en varios manuales escolares, no siempre citando la autoría, en actividades vinculadas con contenidos de Biología y Biotecnología. A doce años de la publicación y ante la inminencia  del Mundial de Fútbol de Rusia, tal vez resulte interesante su lectura:
"Muchos conocen la historia de Lioneli Messi, quien a los 13 años presentaba una estatura inferior al promedio: alrededor de 1,46 metros. Se le diagnosticaron problemas de retraso en su crecimiento y, tras la negativa de clubes nacionales a hacerse cargo del tratamiento, emigró a España donde fue tratado con la hormona de crecimiento humano (hGH, human Growth Hormone).
La hormona del crecimiento humano se produce en la hipófisis humana y estimula la síntesis de proteínas, favoreciendo así el desarrollo de los músculos y huesos. En muchos casos, su utilización en tiempo y forma permite tratar el enanismo. Hasta mediados de los años ochenta, los tratamientos empleaban exclusivamente un tipo de hormona humana biológicamente activa. Esta era extraída de la hipófisis de cadáveres, por lo que, además de muy costosa, era extremadamente difícil de conseguir. Este procedimiento se siguió empleando hasta 1985, año en el que se descubrió la relación que había entre las muertes a causa de la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob (una enfermedad del cerebro, que causa locura y muerte) y la hormona extraída de cadáveres humanos. Por tal motivo, se decidió retirar progresivamente del mercado el producto y, hoy en día, es imposible conseguir hormona extraída de cadáveres humanos. En sustitución, se comenzó a producir biotecnológicamente la hormona de crecimiento, empleando la técnica de ADN recombinante (rhGH). Esta consiste en introdu cir el gen que produce la hormona de crecimiento humano (gen localizado en el brazo largo del cromosoma 17) en bacterias como la Escherichia Coli o en cultivos de células de mamíferos. La hormona es luego purificada y así es comercializada mundialmente por múltiples laboratorios. Parece evidente, por otra parte, que la hormona es un producto biotecnológico de altísimo valor tanto para estimular el crecimiento en los niños-adolescentes como para retrasar el envejecimiento en los adultos-viejos. Muchos niños-adolescentes afectados por problemas de crecimiento no tienen ni la suerte de un diagnóstico a tiempo ni la posibilidad de poder comprar o conseguir la hormona por su elevado costo. Este panorama podría cambiar a raíz de que recientemente un laboratorio argentino pudo mediante técnicas de clonación obtener vacas transgénicas, en cuya leche está presente la hormona del crecimiento. En el futuro, esto permitiría proveer al mercado de una cantidad sufi ciente de este recurso con precios sensiblemente menores que los barajados en la actualidad.Afortunadamente, en el caso de Lionel Messi su fútbol le brindó la oportunidad de iniciar y completar el tratamiento con la rhGH y así alcanzar su actual altura de 1,69 metros. 
Resulta claro que su habilidad y talento no son producto de la hormona del crecimiento, pero también es cierto que jugadores de muy baja estatura y pequeña constitución física raramente llegan al fútbol competitivo de primer nivel".

Clarín, 14/06/06

sábado, 21 de abril de 2018

Desalinización solar directa con nanopartículas.

Hoy existe una necesidad crítica de convertir las fuentes no potables, como el agua de mar, en agua adecuada para uso humano debido a que más de mil millones de personas no tienen acceso al vital recurso, Sin embargo, los requerimientos de energía de las plantas de desalinización representan la mitad de sus costos de operación; esto hace necesario enfoques alternativos capaces preferentemente de aprovechar la radiación solar.
En el artículo “Desalinización solar del agua de mar con nanopartículas” (Biotecnología & Nanotecnología al Instante, 25/11/2007) explicamos como  nanopartículas de oro presentan el denominado efecto de resonancia plasmódica localizado originado, cuando la frecuencia de la onda electromagnética producida por el movimiento oscilatorio  de sus electrones superficiales, coincide con alguna frecuencia de los fotones de la radiación solar.  En tal situación ambas entran en resonancia con la absorción de la energía de la radiación incidente de esa longitud de onda, reflejando el resto. En el agua de mar, alrededor de las nanopartículas con su energía incrementada por la resonancia se comienzan a formar burbujas y, debido a la evaporación del agua en la interfase, migran a la superficie donde se libera el vapor quedando las nanopartículas disponibles para hacer un proceso continuo.
Ahora, trece investigadores de la Rice University, de Houston, publicaron el trabajo “Nanophotonics-enabled solar membrane distillation for off-grid water purification”, en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, en el cual utilizan una membrana con nanopartículas para el proceso de destilación inducido por la iluminación solar.
Crédito Rice University 
El sistema, conocido como destilación de membrana solar habilitada por nanofotónica (NESMD), utiliza una membrana porosa con nanopartículas de negro de humo. Las nanopartículas toman la energía de la luz solar para calentar el agua en un lado de la membrana, que filtra la sal y otros contaminantes no volátiles al tiempo que permite que el vapor de agua pase a través de ella logrando convertir hasta el 80 por ciento de la energía de la luz solar en calor. Los resultados de un prototipo indican la posibilidad de producir hasta seis litros de agua dulce por hora por metro cuadrado de membrana solar. Una particularidad distintiva del sistema NESMD, es que la fuente de calor está en la membrana; las nanopartículas, incrustadas en un lado usan la luz del sol para calentar el agua e impulsar el proceso de desalinización. 
En la literatura científica podemos encontrar otras publicaciones con  variados sistemas basados en la utilización de nanopartículas para la desalinización solar directa; al parecer el camino viable para tener agua potable a futuro.

Lectura complementaria:

sábado, 14 de abril de 2018

Nanopartículas hibridas para el cáncer de pulmón.

El tipo más común de cáncer de pulmón es el no microcítico con una tasa de supervivencia, luego de los tratamientos usuales, del 36% a los cinco años. Los investigadores del Jefferson College of Pharmacy han desarrollando un nuevo enfoque de tratamiento con nanopartículas hibridas que resultó efectivo en los modelos de pruebas en ratones. La investigación “Evaluation of MUC1-Aptamer Functionalized Hybrid Nanoparticles for Targeted Delivery of miRNA-29b to Nonsmall Cell Lung Cancer”, fue publicada en la revista Molecular Pharmaceutics.
Los aptámeros son oligonucleótidos de cadena sencilla (ssDNA y RNA), con tamaños entre 70 y 100 nucleótidos, capaces de reconocer de forma específica y con alta afinidad a varios tipos de moléculas diana (moléculas que están presentes en distintos tipos de cáncer) unirse e interactuar con ellas de forma de interferir en las funciones biológicas de las moléculas y por ende limitar la vida de las células involucradas. 
Modelo de nanopartícula hibrida
Las nanopartículas se diseñaron para liberar un aptámero, el microRNA 29b,  capaz de detener el crecimiento del tumor y hacerlo más susceptible a la quimioterapia. Si se lo administra inyección se degrada rápidamente en el torrente sanguíneo o es recogido y eliminado por las células inmunes sin producir efecto alguno. Para eludir estas limitaciones desarrollaron nanopartículas hidridas compuestas de un anticuerpo humano, la inmunoglobulina G (IgG), para ocultar la partícula al sistema inmune, el antígeno MUC1 que actúa como un sistema de navegación que guía las nanopartículas hacia los tumores pulmonares y finalmente la carga terapéutica, el aptámero microRNA-29b. El conjunto se une utilizando un polímero adhesivo llamado poloxamer-188. 
Los citados componentes forman una nanopartícula esférica con capacidad demostrada de encontrar adecuadamente y reducir los tumores pulmonares no microcíticos. La investigación en animales es sólo un inicio, un paso previo a las pruebas clínicas en humanos; no obstante, la estrategia concebida de realizar nanopartículas hidridas capaces de burlar el sistema inmunológico,  dirigirse al tumor y descargar el aptámero en el sitio específico para detener la proliferación maligna, se visualiza como una vía prometedora para combatir el cáncer, es este caso, de pulmón. 

Lectura complementaria:

sábado, 7 de abril de 2018

BioNanoarquitectura.

La premisa sustentada por la Bionanoarquitectura es que la vida responde mejor a diseños y materiales concordantes con la preservación de la naturaleza de los habitantes y de la naturaleza del medio, de modo de hacer más armónica y sustentable la existencia.
Un punto de inflexión dentro de la biotecnología moderna se produce con la presentación en el año 2000 de los datos del Proyecto Genoma Humano. El conocimiento del mapa genético humano ha brindado por primera vez en la historia la posibilidad de disponer del acervo genético como materia prima básica de la actividad socioeconómica del presente y del futuro. El conocimiento del genoma humano, desde el nacimiento, permitirá detectar nuestra tendencia genética a cierto tipos de actitudes-enfermedades para las cuales se deben adaptar las características de las viviendas y no forzar al individuo a los diseños arquitectónicos contra su natural tendencia genética.
Con el transcurso del tiempo se comprendió la necesidad de conocer un aspecto complementario de nuestro genoma. En las distintas partes del ser humano existen microorganismos tales como bacterias y hongos desarrollados en una relación íntima con el cuerpo. Ellos superan aproximadamente en 100 veces la cantidad de nuestras propias células. La sociedad formada por los microorganismos y los humanos produce un beneficio mutuo. El estudio global de secuenciación del genoma de la comunidad de microorganismos presentes en la microflora se centra en un nuevo campo biotecnológico: la metagenómica humana. Su propósito es proporcionar una visión amplia centrada en el descubrimiento de genes de interés especial en las comunidades microbianas relacionados con nuestro estado de salud y enfermedad. En la actualidad, el proyecto del microbioma humano se suma al del genoma humano ampliando de ese modo el acervo genético referencial sobre estado de salud de una persona en relación con su medio. La microflora humana es la interfase con la microflora de nuestro hábitat, susceptible a los grandes cambios medioambientales producto de la actividad del hombre.
Bionanoarquitectura. Alberto L. D'Andrea. El Cronista. 29/06/2009
La nanotecnología nos puede ayudar a mantener un hábitat equilibrado a través de la utilización de nanomateriales tendientes a lograr un máximo aprovechamiento de los recursos naturales sin producir desequilibrios que repercutan en la metagenómica del lugar y en definitiva en su fino equilibrio con nuestra salud. También la nanotecnología puede dar respuesta a múltiples necesidades ambientales y a ciertos genes vinculados con distintas problemáticas humanas usuales (ansiedad, depresión, stress, abatimiento, etc.).
Sólo citaremos unos pocos ejemplos. Pinturas nanotecnológicas con cierta especifidad antibacteriana destinadas a eliminar microorganismos que puedan afectar la bioflora normal. Pinturas adicionadas con nanoesferas cerámicas capaces de disminuir la conducción térmica aumentando la capacidad reflectiva de las superficies mejorando la aislación de la vivienda y por ende disminuyendo el consumo de energía destinada para refrigerar o calefaccionar en un 20%. Pinturas, para ansiosos,  que cambian el color de la pared durante el día según el ángulo de incidencia de la luz. Desde lo ambiental, la nanotecnología, también permite construir paneles solares diurnos más eficientes, paneles solares nocturnos hechos con nanocristales nanométricos capaces de absorber y funcionar con la radiación infrarroja que durante la noche se refleja desde las nubes (efecto invernadero) y pintura catalítica  capaz de convertir el monóxido de carbono a dióxido de carbono.
Imaginemos que pronto, alguien que viva en un departamento muy pequeño, en condiciones contrarias a su tendencia natural, podrá tener una pantalla girante muy finita en su pared (tipo OLED) y le bastara con seleccionar dónde quiere estar (servicio de nanocámaras incluido). Tomando una cerveza (en su departamento) pero mirando en tiempo real el entorno en el bar Palentino en Madrid, o tomar un café mirando a su alrededor o por una ventana la gente pasar en tiempo real en el café Tortoni de Buenos Aires,  o almorzar mirando las cataratas del Niágara desde Estados Unidos o Canadá o el rompimiento del glaciar Perito Moreno en la provincia de Santa Cruz (Argentina),...
Conocer nuestro genoma hará posible detectar nuestra tendencia a ciertos entornos compatibles; a una arquitectura centrada en las necesidades genéticas individuales de modo de que la nurtura respete a la natura, no imponiéndole una adaptación artificial tras la apariencia de un forzado equilibrio condenado al fracaso emocional. La interacción dinámica entre la nanotecnología y la biotecnología nos dará las herramientas necesarias para la comprensión profunda e integral del ser humano y nos brindará herramientas para incidir subjetiva y objetivamente en el arte y la técnica de la construcción. 
La producción arquitectónica basada en la biotecnología y la nanotecnología correlaciona objeto, medio y sujeto en una relación sinérgica y dinámica. La Bionanoarquitectura finalmente se podría visualizar como la contribución de la biotecnología y de la nanotecnología a la arquitectura para mejorar las condiciones de habitabilidad del planeta. 

Lectura complementaria:       
Casas hechas a medida (de nuestros genes).
Nota: el presente artículo es una actualización  del publicado en El Cronista el 9 de junio del año 2009.

sábado, 31 de marzo de 2018

Motor browniano oscilante para separar nanopartículas.

Un equipo de investigación de IBM publicó, el 31 de marzo del 2018, el artículo “Nanofluidic rocking Brownian motors” en la  revista científica Science. Los motores propuestos impulsan las nanopartículas a lo largo de pistas predefinidas para separarlas con una precisión sin precedentes. El motor browniano oscilante está inspirado en la naturaleza. En las células, los motores moleculares son pequeños andadores que transportan la carga a lo largo de guías de microtúbulos con un consumo mínimo de combustible. El movimiento browniano,  caótico y tembloroso de las partículas, es causado por las moléculas de agua al colisionar aleatoriamente con ellas. Albert Einstein dio una descripción correcta del movimiento  en 1905. 
Un motor browniano convierte este movimiento aleatorio en trabajo mecánico al trasformar la aleatoriedad en un movimiento recto de las partículas. Para este propósito, los científicos usan el principio similar a un destornillador de trinquete. Un trinquete es un mecanismo que permite a un engranaje girar hacia un lado, pero le impide hacerlo en sentido contrario. Además, usan una fuerza externa oscilante capaz de empujar las partículas contra los dientes de trinquete. El motor browniano no produce movimiento dirigido, solo evita que las partículas se muevan hacia atrás. Para comenzar a construir el dispositivo  utilizaron  una punta diminuta y caliente de silicio con un ápice afilado de modo de crear un paisaje tridimensional "cincelando" el material en una capa de polímero. La técnica se denomina litografía con sonda de escaneo térmico. La separación de dos tipos diferentes de partículas requiere combinar dos trinquetes con direcciones de transporte opuestas con dientes de diferentes tamaños. Luego se  coloca una  gota de agua  conteniendo las pequeñas esferas de oro de 60 nm y 100 nm en los trinquetes y  se cubre con un cristal delgado, dejando un pequeño espacio entre las puntas de los dientes y el vidrio. Como una partícula de mayor tamaño es menos probable que explore el trinquete con los dientes más pequeños, las esferas se mueven en direcciones opuestas y se separan. Las partículas de 60 nm se balancean hacia la derecha y las partículas de 100 nm hacia el lado izquierdo del sistema en solo unos pocos segundos. El dispositivo tiene capacidad para separar partículas entre 5 nm y 100 nm de tamaño y con diferencias en el radio entre ellas de solo 1 nm. El motor browniano oscilante presenta un gran potencial para aplicaciones de laboratorio en chips vinculados con la ciencias de los materiales, las ciencias ambientales y la bioquímica.

Lectura complementaria:
Nanofluidic rocking Brownian motors.

sábado, 24 de marzo de 2018

Proyecto de interfaz neuronal no quirúrgica.

El estado del arte en las comunicaciones del sistema cerebral ha empleado técnicas invasivas que permiten conexiones precisas y de alta calidad a neuronas o grupos de neuronas específicos. Estas técnicas han ayudado a los pacientes con lesiones cerebrales y otras enfermedades. Sin embargo, estas técnicas no son apropiadas para personas sanas. 
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) de los EE.UU, hora busca lograr altos niveles de comunicaciones del sistema cerebral sin cirugía, en su nuevo programa de próxima generación N3. DARPA creó el programa para buscar el camino hacia un sistema de interfaz neuronal portátil y seguro capaz de leer y escribir en múltiples puntos en el cerebro a la vez. La neurotecnología no quirúrgica de alta resolución ha sido esquiva, pero gracias a los recientes avances en la nanotecnología la posibilidad de alcanzar el objetivo es muy alta. 


Las neurotecnologías no invasivas, como el electroencefalograma y la estimulación de corriente directa transcraneal, ya existen, pero no ofrecen la precisión, la resolución de señal y la portabilidad necesarias para las aplicaciones avanzadas por parte de personas que trabajan en entornos reales. Los potenciales investigadores de N3 se enfrentarán a numerosos desafíos científicos y de tecnología para eludir esas limitaciones, pero de lejos el mayor obstáculo será superar la compleja física de la dispersión y el debilitamiento de las señales a medida que atraviesan la piel, el cráneo y el tejido cerebral. 
Se esta llamando a equipos multidisciplinarios de investigadores para construir enfoques que permitan la interacción precisa con áreas muy pequeñas del cerebro, sin sacrificar la resolución de la señal en sujetos humanos sanos. DARPA pretende que el esfuerzo N3 de cuatro años concluya con un sistema bidireccional utilizado en una tarea relevante para la defensa que podría incluir interacciones humano-máquina con vehículos aéreos no tripulados, sistemas activos de defensa cibernética u otros sistemas del Departamento de Defensa debidamente equipados. DARPA también está siendo proactivo al considerar las dimensiones éticas, legales y sociales de la neurotecnología más ubicua y cómo podría afectar no solo las operaciones militares, sino también a la sociedad en general. 
El 3 de abril, equipos de todo el mundo podrán presentar sus propuestas de investigación y desarrollo en la temática las cuales contarán con importante apoyo económico e impositivo. La idea es que poniendo a los mejores investigadores a resolver el problema, con el estado actual de la tecnología, se abrirán las puertas a interfaces prácticas de alto rendimiento en sólo en cuatro años. Una consecuencia adicional del proyecto militar de defensa será que el cerebro de una persona se comunique con un dispositivo, permitiendo avances destinados a mejorar la calidad de vida…
Lectura complementaria:

viernes, 16 de marzo de 2018

Mapeo Nanoquímico 3D de nanopartículas en baterías litio

A medida que la batería se carga y descarga, sus electrodos se oxidan y reducen alternativamente.  Conocer las ubicaciones precisas de las reacciones químicas dentro de las nanopartículas individuales que participan ayuda a comprender el funcionamiento de la batería y descubrir la forma de optimizar su rendimiento. Las vías químicas por las cuales ocurren las reacciones ayudan a determinar la velocidad de agotamiento de una batería. Las herramientas disponibles para estudiar estas reacciones solo pueden proporcionar información sobre la composición promedio de los electrodos en cualquier punto dado en el tiempo e informar el porcentaje del electrodo que se ha oxidado permanentemente. Pero estas herramientas no pueden proporcionar información sobre la ubicación fina de las partes oxidadas en el electrodo. 
Imagen 3D del fosfato de Fe y Li . Crédito:Jordi Cabana
Debido a estas limitaciones, no es posible determinar si las reacciones se producen en un área determinada, como la superficie del material o de manera uniforme en el total. Investigadores de la University of Illinois de Chicago y del Lawrence Berkeley National Laboratory han desarrollado una nueva técnica que les permite identificar la ubicación de las reacciones químicas que suceden dentro de las baterías de iones de litio en tres dimensiones a nivel de nanoescala. Sus resultados se publicaron en la revista Nature Communications. La nueva técnica, denominada X-ray ptychographic tomography, se basa en el desarrollo de algoritmos utilizados para ayudar a responder preguntas fundamentales sobre los materiales de la batería y su comportamiento. Permite establecer si existe una tendencia a que una reacción tenga lugar en una parte específica del electrodo, y mejor aún, la ubicación de las reacciones en las nanopartículas individuales en el electrodo. Esto es extremadamente útil porque permite entender cómo esas las reacciones localizadas se relacionan con el comportamiento de la batería, como su tiempo de carga o la cantidad de ciclos de recarga que puede realizar de manera eficiente. 
Los investigadores aplicaron la técnica tomográfica para observar decenas de nanopartículas de fosfato de hierro y litio recuperadas del electrodo de una batería parcialmente cargada.  Utilizaron un haz de rayos X coherente a nanoescala para interrogar a cada nanopartícula. El patrón de absorción del haz de rayos X por el material proporcionó a los investigadores la información sobre el estado de oxidación del hierro. Pudieron mover la muestra secuencialmente unos pocos nanómetros y ejecutar nuevamente su interrogatorio pudiendo reconstruir los mapas químicos de las nanopartículas con una resolución de aproximadamente 11 nanómetros.  Al rotar el material en el espacio, realizaron una reconstrucción tomográfica tridimensional de los estados de oxidación en cada nanopartícula. En otras palabras, pueden establecer hasta qué punto había reaccionado una nanopartícula individual de fosfato de hierro y litio.
La nueva técnica, no solo permite observar nanopartículas individuales con diferentes grados de reacción en un momento dado, sino también cómo la reacción avanza en el interior de cada nanopartícula. El estudio de lo nano por algo más nano.
Lectura complementaria (artículo completo):                                                                                Three-dimensional localization of nanoscale battery reactions using soft X-ray tomography.

sábado, 10 de marzo de 2018

Nanosingularidad tecnológica, robots de ADN y cáncer.

El origami de ADN es el plegamiento del ADN para crear objetos tridimensionales en la nanoescala (1-100 nm). El método actual de origami de ADN fue publicado por Paul Rothemund en el año 2006 (Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns), en la revista Nature.
Ido Bachelet, de la Universidad Bar-Ilan, presentó en el año 2015 un método para producir nanorrobots (nanobots) de ADN innovadores con capacidad para llegar a lugares específicos del cuerpo y llevar a cabo operaciones programadas. En este caso, la programación, implica la detección de células cancerosas y el suministro de un tratamiento específico directamente contra éstas sin afectar las sanas.
En el reciente artículo “A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo”, 19 investigadores de China y EEUU, presentan nanobots de ADN programables e inteligentes que buscan y destruyen tumores mediante la limitación del suministro sanguíneo induciendo la coagulación de la sangre (trombina) para lograr la muerte del tejido y por ende la destrucción del tumor. Los nanobots de ADN y otros, se presentan como una de las promesas más concretas para combatir el cáncer. 
Crédito: artículo de la lectura complementaria.
Se suele aceptar que cuando la inteligencia artificial exceda la inteligencia total de la raza humana, habremos alcanzado una singularidad tecnológica, momento en el cual los robots se podrán autorreplicar mejorando cada vez sus características. La aparición de los nanobots autorreplicantes permiten pensar en una nueva forma de singularidad: la nanosingularidad tecnológica centrada en los nanobots. Su aparición califica como una segunda singularidad tecnológica porque representa el desarrollo de las primeras formas de vida artificiales, con una inteligencia rudimentaria para llevar a cabo funciones programadas, junto con la capacidad de reproducirse. Tal vez se pueda pensar en ellos como el equivalente tecnológico de las bacterias y los virus (Louis A. Belmonte). 
Cabe destacar nuevamente su potencial para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades como el cáncer a nivel celular.Se estima que el crecimiento exponencial de los nanobots ocurrirá entre los años 2020 y 2030. Ahora en el futuro (2030-2040) podremos esperar además de la singularidad tecnológica una nanosingularidad tecnológica centrada en nanobots inteligentes capaces de autorreplicarse. 
¿Puedes inferir cuál llegará primero?  

Lectura complenentaria:

viernes, 2 de marzo de 2018

Metalentes para un ojo artificial con ajuste electrónico.

Inspirados en el ojo humano, los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard(SEAS) han desarrollado metalens(metalentes), lentes hechas con un metamaterial(material con propiedades especiales no naturales como un índice de refracción negativo) para desarrollar un ojo artificial plano controlado electrónicamente. Los metalentes adaptativos controlan simultáneamente tres de los principales responsables de las imágenes borrosas: el enfoque, el astigmatismo y el cambio de imagen. La investigación combina avances en la tecnología muscular artificial con la tecnología metalens para crear lentes sintonizables que pueden cambiar su enfoque en tiempo real al igual que el ojo humano, permitiendo corregir en forma dinámica las aberraciones citadas. Para construir el ojo artificial, los investigadores primero necesitaron modificar los metalens por ser sus nanoestructuras tan pequeñas que la densidad de información en cada lente es increíblemente alta. Si se pasa de una lente de 100micrones(1 micrón equivale a 10-6 metros) a una con tamaño de un centímetro, la información generada aumenta 10.000 veces.  
Metalents con nanoestructuras de silicio.Crédito: Harvard SEAS
Para resolver el problema desarrollaron un algoritmo destinado a reducir el tamaño del archivo y hacer que los metalens sean compatibles con la tecnología utilizada actualmente para fabricar circuitos integrados; con la ventaja adicional de unificar dos industrias: 
la fabricación de lentes y la fabricación de semiconductores, por lo que la misma tecnología utilizada para fabricar chips de computadoras se utilizaría para fabricar componentes ópticos como las lentes hechas con metamateriales. Luego, necesitaron adherir los metalens a un músculo artificial sin comprometer su capacidad de enfocar la luz. En el ojo humano la lente está rodeada por el músculo ciliar que la estira o comprime cambiando su forma para ajustar la distancia focal. En la adhesión de la lente utilizaron un elastómero dieléctrico delgado y transparente con baja pérdida, lo que significa que la luz viaja a través del material con poca dispersión. El elastómero se controla aplicando voltaje. A medida que se estira, cambia la posición de los nanopilares en la superficie de la lente, lográndose un ajuste controlado tanto de la posición como del desplazamiento de la estructura. El conjunto lente-elastómero(músculo) tiene solo 30 micrones de grosor y puede ser controlado.  electrónicamente. 
Ver (mejor) para creer .

Lectura complementaria:

sábado, 24 de febrero de 2018

Nanocables modulan señales eléctricas en el cerebro.

El cerebro humano sigue siendo en gran medida una caja negra. La pregunta es: ¿cómo una red de señales eléctricas rápidas genera movimiento, pensamiento  y enfermedades? Encontrar una manera precisa y fácil de manipular la señalización eléctrica entre las neuronas puede conducirnos a las respuestas. En el artículo “Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with free-standing coaxial silicon nanowires”, publicado el 19 de febrero del 2018 en Nature Nanotechnology, investigadores de la Universidad de Chicago,  construyeron nanocables de silicio coaxiales independientes capaces de crear una pequeña corriente eléctrica, para modular las señales del cerebro, cuando se hace incidir luz sobre ellos . 
La varilla en la parte superior derecha está posicionada para modificar la
 señalización eléctrica entre las neuronas. 
 Crédito: Parameswaran, et al.
El oro, difundido por un proceso especial en la superficie del nanocable, actúa como un catalizador para promover las reacciones  electroquímicas. Tanto el oro como el silicio son materiales biocompatibles. Cuando el cable está en su lugar y es iluminado, la diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la célula se reduce ligeramente. Esto disminuye la barrera para que la neurona dispare una señal eléctrica a las células vecinas. Trabajando con neuronas de ratas cultivadas en el laboratorio, pudieron activarlas para que disparen señales eléctricas. El sistema podría ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo funcionan estas señales eléctricas en el cerebro y sugerir formas de abordar problemas como los trastornes psiquiátricos o la enfermedad de Parkinson.

Lectura complementaria:

sábado, 17 de febrero de 2018

Nanopartículas, metagenómica microbiana y salud pública

En el artículo “Metagenomic analysis of microbial communities yields insight into impacts of nanoparticle design” publicado en la revista Nature Nanotechnology(15 de enero 2018) P. J. Vikesland y colaboradores, del Institute for Critical Technology and Applied Science (ICTAS), Virginia Tech, USA, presentan una forma de investigar el efecto de las nanopartículas en un microbioma particular: mirando el ADN de una comunidad microbiana entera en lugar de especies individuales. La estrategia, denominada análisis metagenómico, secuencia el ADN de todos los microbios simultáneamente en una muestra, produciendo una visión general de los genes funcionales en ese entorno. En el  estudio analizaron las comunidades microbianas de lodo activado utilizado en las plantas industriales para descomponer los contaminantes de las aguas residuales. Estas comunidades comprenden una cantidad asombrosa de microorganismos, muchos de los cuales no se pueden cultivar en el laboratorio, e incluso si se pudiera, las complejas interacciones en las comunidades microbianas en el mundo real no pueden reproducirse mediante experimentos con unas pocas especies. Las nanopartículas usadas en la investigación fueron esferas y varillas de oro las cuales se introdujeron en las plantas de tratamiento de las aguas residuales.
Crédito:(ICTAS), Virginia Tech, USA 
Luego han realizado un análisis metagenómico a los 7 días y otro a los 56 días. Resultó que las nanopartículas modificaron la distribución de genes en la comunidad microbiana del lodo activado. Las nanopartículas esféricas tuvieron una mayor influencia que las nanobarras. Entre los genes afectados se han encontrado aquellos que ayudan a las bacterias infecciosas a evadir los antibióticos. Los resultados sugieren que el análisis metagenómico es una herramienta suficientemente sensible como para detectar cambios que otros métodos podrían pasar por alto y por ende para el diseño más seguro de los nanomateriales y de su implicancia en la  salud pública.

Lectura complementaria: