Ciencia en piloto automático: investigación con IA y robots

En los próximos años, la combinación de inteligencia artificial y robótica va a cambiar por completo la forma en que se hace ciencia, tanto en lo básico como en lo aplicado. Hoy ya existen ejemplos, como los robots científicos Adam y Eve, capaces de formular hipótesis, realizar experimentos y analizar los resultados por su cuenta. Pero lo que viene es mucho más ambicioso: laboratorios autónomos funcionando las 24 horas del día, conectados entre sí en distintas partes del mundo, intercambiando datos en tiempo real y ajustando experimentos de manera automática sin que un humano tenga que intervenir en cada paso.

En la investigación básica, esto significa poder cerrar un ciclo completo del método científico en horas o días, desde pensar una pregunta hasta comprobar si la hipótesis es correcta. La IA y la robótica permitirán explorar territorios que hoy no se investigan por falta de tiempo o recursos, e incluso podrían detectar patrones o fenómenos que a un investigador humano no se le ocurriría buscar. La ciencia dejará de tener pausas, porque habrá equipos de trabajo que nunca se detienen.

En la investigación aplicada, el cambio será aún más visible para la vida cotidiana. El descubrimiento de medicamentos, por ejemplo, podría pasar de tardar años a resolverse en semanas, combinando modelos generativos que proponen moléculas con robots que las sintetizan y prueban sin descanso. Lo mismo ocurrirá con el desarrollo de nuevos materiales, enzimas industriales o biotecnología para alimentos, energía y medio ambiente. Incluso la medicina personalizada se verá potenciada, porque la IA podrá diseñar tratamientos únicos para cada paciente basándose en su genética y su perfil molecular, y la robótica se encargará de producirlos de inmediato.

Si las tendencias actuales se mantienen, para 2030 veremos cada vez más robots científicos publicando trabajos en revistas de prestigio. Para 2040, habrá redes globales de laboratorios totalmente automatizados, y para 2050 no sería extraño que existan sistemas capaces de crear y comprobar teorías científicas propias, aportando descubrimientos que cambien nuestra comprensión del mundo. El  investigador humano seguirá siendo importante, pero cada vez más como quien plantea las grandes preguntas y valida la interpretación de lo que la máquina descubre.

Del sueldo al subsidio: el trabajo humano frente a la IA

Durante siglos, la relación entre humanos y tecnología estuvo marcada por una promesa: las máquinas nos harían la vida más fácil, pero no reemplazarían nuestra capacidad de crear, decidir o imaginar. Sin embargo, en los últimos años, el desarrollo vertiginoso de la inteligencia artificial está alterando radicalmente ese pacto tácito. Cada vez más empresas, desde bancos hasta laboratorios, desde medios de comunicación hasta plataformas educativas, reemplazan personal humano por algoritmos capaces de realizar tareas con mayor velocidad, precisión y, sobre todo, menor costo. Esto plantea una pregunta inquietante, casi existencial: si las empresas necesitan menos personas para funcionar, ¿de qué van a vivir esas personas? ¿Qué lugar queda para el trabajo humano cuando ya no se lo considera eficiente, necesario o incluso rentable? Lejos de ser un problema del futuro, esta transformación ya está en marcha, y su velocidad supera nuestra capacidad para adaptarnos.
Este artículo busca pensar en voz alta, sin alarmismos pero con honestidad, sobre el porvenir del trabajo, la renta básica universal como posibilidad real, el rol de los Estados en una economía cada vez más automatizada, y el nuevo valor que podrían adquirir las tareas humanas que no pueden (o no deberían) ser reemplazadas por máquinas. Porque en el fondo, se trata no solo de cómo ganaremos dinero, sino de cómo encontraremos sentido.

¿Qué opciones se están discutiendo a nivel mundial?
A medida que la automatización y la inteligencia artificial reemplazan millones de empleos, gobiernos, economistas y organizaciones sociales se ven obligados a repensar las bases mismas del sistema económico. El trabajo, históricamente, ha sido la forma por excelencia de generar ingresos, construir identidad y acceder a derechos sociales. Pero si el trabajo desaparece o se transforma radicalmente, ¿cómo garantizamos la subsistencia, la dignidad y la participación de todos? Algunas de las ideas más debatidas a nivel global son las siguientes:
-Renta Básica Universal (RBU): La propuesta más discutida, y también la más polémica, es la Renta Básica Universal, una suma de dinero garantizada por el Estado a todas las personas, sin importar si trabajan o no, sin evaluaciones, sin requisitos. Sus defensores argumentan que, ante la creciente exclusión del mercado laboral, garantizar un ingreso mínimo y estable permitiría a las personas vivir sin el estrés de la supervivencia, dedicar tiempo al cuidado, al arte, al aprendizaje, al voluntariado o a trabajos que hoy el mercado no valora. Experimentos ya se han realizado en Finlandia, Canadá, España, Kenia y otras regiones, con resultados variados pero prometedores: mejoras en la salud mental, aumento del bienestar, incluso un leve crecimiento del empleo informal voluntario. Sin embargo, los detractores advierten sobre su alto costo fiscal y sobre la posibilidad de fomentar la "ociosidad" estructural. ¿Puede una sociedad sostenerse si trabajar deja de ser una obligación?
-Impuestos a los robots: que la máquina pague lo que quita. Otra idea que gana terreno es la de aplicar impuestos a los robots o, más ampliamente, a las empresas que sustituyen personal por sistemas automatizados. La lógica es simple: si una empresa deja de pagar sueldos porque reemplaza humanos con máquinas, debe contribuir con una porción mayor de sus ganancias al sistema que sostiene a esos ciudadanos desplazados.
Las propuestas como la renta básica universal, los impuestos a los robots o la redefinición del trabajo no son solo respuestas técnicas a un problema económico; son intentos de imaginar otra forma de vivir en un mundo donde el trabajo, tal como lo conocimos, está dejando de ser el eje organizador de nuestras vidas. Quizás el desafío no sea simplemente encontrar nuevas formas de repartir el ingreso, sino atrevernos a cuestionar los supuestos que nos sostienen: ¿Por qué asumimos que valemos según lo que producimos? ¿Por qué el tiempo libre aún es visto con sospecha? ¿Y qué pasaría si una sociedad pudiera vivir menos preocupada por la eficiencia y más enfocada en el bienestar, la creatividad, la empatía y el cuidado?
Tal vez la inteligencia artificial no solo venga a reemplazarnos en las fábricas o las oficinas, sino también a empujarnos a preguntarnos algo más profundo: si ya no es necesario trabajar para sobrevivir, ¿qué vamos hacer con nuestro tiempo en este planeta?

Atacar la complejidad del siglo XXI con átomos y células.

La bioeconomía y la nanoeconomía son dos campos emergentes que están redefiniendo la manera en que pensamos sobre la producción, el consumo y la viabilidad del siglo XXI. Ambas disciplinas se encuentran en el corazón de la revolución tecnológica actual, utilizando conocimientos avanzados para mejorar la eficiencia y sostenibilidad de los sistemas económicos. 

En el artículo Complejidad, incertidumbre y prospectiva, discutíamos la necesidad de desarrollar un pensamiento complejo para interpretar y poder actuar en un mundo complejo. Mal podríamos comprender y resolver las problemáticas del siglo simplificando todo y sin conocer los cambios y las nuevas posibilidades provenientes de las tecnologías con evolución exponencial. La complejidad del presente y su extrapolación hacia el futuro solo se podrá interpretarse si se dispone de la capacidad integrada necesaria para comprender a una sociedad multidireccional”. El Dr. Jorge Velasco Zamora dice:

    “Gestionar tecnología supone reducir la incertidumbre a su expresión más residual”.

En el contexto señalado, la economía de las nuevas tecnologías tiene un eje nítido, en el cual ubicamos al resultante de dos ciencias-tecnologías capaces de trasformar la naturaleza para restituir las pautas perdidas y hacer posible la vida en la tierra:

La Bioeconomía es una economía basada en la biotecnología capaz de generar en tiempo y forma los recursos naturales renovables, con su acervo de 65 millones de genes y la ingeniería genética, para dar respuestas a necesidades socioeconómicas tales como la demanda de energía, alimentos, disminución de los gastos en salud y cuidado del medio ambiente, generando a su vez trabajo e ingresos en forma sustentable.          

La Nanoeconomía se refiere a un enfoque económico centrado en la escala más pequeña posible, similar a cómo la nanotecnología opera a niveles muy pequeños. Este concepto podría tener implicaciones importantes para abordar desigualdades globales, al permitir un análisis más detallado y preciso de las dinámicas económicas a nivel individual o de pequeñas localidades. Al innovar  construyendo con átomos y moléculas, de lo que estamos hechos los seres humanos y el planeta, la disciplina, podrá dar respuestas a todas nuestras necesidades  humanas primarias.

La complejidad requiere un enfoque integrador del saber para abordar los desafíos sociales, éticos y regulatorios. La bioeconomía y la nanoeconomía representan un cambio paradigmático hacia un futuro innovador y más sostenible. Herramientas fundamentales de una gobernanza responsable para maximizar los beneficios y reducir los riesgos asociados a toda nueva tecnología..

En el vino hay sabiduría, en la cerveza libertad y en el agua nanoplásticos.

El título del presente artículo se basa en una frase de Benjamín Franklin “En el vino hay sabiduría, en la cerveza libertad y en el agua bacterias”. Con el transcurso del tiempo se fueron realizando controles y procesos para evitar que el agua potable tuviera microorganismos nocivos (ejemplos: cloración, osmosis inversa,...). Tal vez la problemática actual no sean las bacterias sino la creciente presencia de micro y nanoplásticos con consecuencias para la salud poco claras hasta el presente. Los microplásticos son partículas de plástico menores a 5mm hasta tamaños tan pequeños que son imperceptibles; cuando su tamaño es menor a 100 nm se los identifica con la denominación particular de nanoplásticos.

En el reciente artículo Rapid single-particle chemical imaging of nanoplastics by SRS microscopy publicado en la revista PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), investigadores de la Universidad de Columbia encontraron, en relación con los microplásticos, que en el agua embotellada hay entre 10 y 100 veces más de nanoplásticos  de los siguientes polímeros: PE polietileno, PP polipropileno, PS poliestireno, PVC policloruro de vinilo, PET Polietileno tereftalato, PA poliamidas y Acrilatos. 

Analizaron cinco muestras de cada una de las tres marcas comerciales más comunes de agua embotellada presentes en las naves de los supermercados. Los niveles de las nanopartículas presentes oscilaron entre 110.000 y 400.000 por litro, con un promedio de alrededor de 240.000. Gran parte el ellas parecían provenir de la propia botella y del filtro de la membrana de ósmosis inversa utilizado para evitar la entrada de otros contaminantes durante el proceso de elaboración. Potencialmente por su tamaño menor los nanoplásticos son más peligrosos para los seres vivos que los peligrosos microplásticos.

Los residuos de los más de 430 millones de toneladas de plástico producidas anualmente son hoy los responsables de los micro-nanoplásticos encontrados en los océanos, en los alimentos y el agua potable del planeta. Se ha detectado su presencia en numerosas especies y tejidos, incluso hasta en cerebro humano. Ahora nuevas técnicas analíticas como el microscopio láser dual permiten cuantificar y sumar a la micro contaminación la problemática de los nanoplásticos.

Los investigadores aún no pueden responder certeramente a la gran pregunta: ¿Cuán perjudiciales son para la salud esas piezas de micro y nanoplásticos?

Sabemos sobre su ingreso a los tejidos (de los mamíferos, incluidas las personas, ...). La investigación actual está analizando lo que hacen en las células. Algunos trabajos han demostrado la capacidad de los nanoplásticos para internalizarse en las células y a través de sus aditivos químicos causar estrés celular, daño al ADN y cambiar el metabolismo o la función celular. Se estima que la presencia de más de 100 sustancias químicas distintas en estos plásticos aumenta la probabilidad de originar algún tipo de cáncer. Lo inquietante de las pequeñas partículas es su aparición en diferentes órganos y su factibilidad de cruzar membranas que no deben cruzar, como la barrera hematoencefálica. 

Por lo expuesto, nos atrevimos a cambiar-actualizar la interesante frase de Benjamín Franklin “En el vino hay sabiduría, en la cerveza libertad y en el agua bacterias”. Hoy lo más peligroso en el agua potable son los micro-nano plásticos.

Lectura complementaria: 

Rapid single-particle chemical imaging of nanoplastics by SRS microscopy. PNAS , Vol 121, número 3, páginas 1-12. 2024.

Viable the once unfeasible with bio and nanoeconomy.

There are areas on the planet that apparently have little benefit, they do not have minerals, fossil fuels, nor do their soils have the right characteristics to be cultivated. The lack of energy does not allow the establishment of industries and the generation of jobs. They are usually considered unviable areas by economists and abandoned to their fate. Young people emigrate in search of a better future and the existing towns languish. The picture described above is repeated across the entire surface of the planet. Now the bioeconomy and nanoeconomy based on the exponentially growing developments in biotechnology and nanotechnology seem to indicate that the once unfeasible is beginning to become viable. 

The following figure summarizes a series of possible, sustainable solutions, ranging from waste utilization and abundant energy generation to the production of advanced nanomaterials.    

Abundant energy production is based on the installation of solar panels, windmills, the generation of biogas from waste in biodigesters and thermoelectric power plants powered by biomass obtained from crops, microorganisms and microalgae, whether genetically modified or not, from which bioethanol, bio-oil and biodiesel can also be obtained.

Carbon dioxide from thermoelectric power plants and biogas generation can be used to obtain graphene, and to feed microalgae cultures capable of producing everything from medicines to omega-3 fatty acids. After extraction of the active principles, the rest of the microalgae can be used to obtain carbon nanotubes, a high value-added nanomaterial, by pyrolysis. In addition, new nanocatalysts also allow carbon dioxide to be converted into methane, increasing local energy production.

Energy self-sufficiency allows the installation of bioreactors to produce from “in vitro” meat to biopolymers and opens the door to multiple ventures, the installation of SMEs and businesses related to production and the general economic growth of the place. The economy of new technologies tends to horizontalize production in order to avoid the concentration of economic resources in a few. 

As an example, we will explain how from organic waste we can move on to the production of nanocomposite materials for 3D production in order to make products with high added value tending to make the area sustainable and with state-of-the-art technology. Biogas production generates methane and carbon dioxide. Both gases can be used to obtain nano-objects. 

Graphene and carbon nanotubes can be obtained from methane using the CVD (chemical vapor deposition) process. In parallel, organic waste can be used to produce polylactide (PLA), a biodegradable and recyclable polymer. Generally, fermentable waste is autoclaved at 121ºC for 20 minutes and then, by regulating the physicochemical conditions, a saccharification process is carried out with the enzyme glucosamylase and then Lactobacillus rhamnousus is added to convert the glucose produced into lactic acid. Finally, the lactic acid is used to synthesize PLA. Within nanostructured materials, nanocomposites of polymers with nano-objects present a high degree of current and future applications. In some nanocomposites, 1% graphene in the polymeric structure increases its strength by 100%. The possibility of being able to use PLA-graphene and PLA-carbon nanotube polymers obtained from waste in 3D printers allows the continuous or rotary production of a large number of products that can be used in the textile, food and automotive industries, among others.

A good example of the importance of the bioeconomy + nanoeconomy in the multidirectional society and its ability to make the once unfeasible viable.

Complementary reading:

Nanoeconomy and/or Bioeconomy

Nanomedicina. De suturar a soldar heridas.

Hace más de 5.000 años a la humanidad se le ocurrió la idea de suturar una herida con aguja e hilo. Desde entonces, este principio quirúrgico no ha cambiado mucho: dependiendo de la expertiz de la persona que realiza la operación y del equipo, los cortes o desgarros en el tejido se pueden unir de manera más o menos perfecta. Una vez que ambos lados de una herida están perfectamente unidos entre sí, el cuerpo puede comenzar a cerrar la brecha de tejido de forma permanente y natural. Sin embargo, la sutura no siempre logra lo que se supone que debe lograr. En tejidos muy blandos, el hilo puede atravesarlo y provocar lesiones adicionales y si el cierre de la herida no sella los órganos internos, las suturas permeables pueden suponer un problema potencialmente mortal. 

Investigadores del Laboratorio Federal Suizo de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) y del Instituto Federal Suizo (ETH) han encontrado una manera de soldar heridas utilizando láser. El método denominado "iSoldering" (soldadura inteligente), con solicitud previa de patente, se publicó en la revista Small Methods. Soldar normalmente implica unir materiales mediante calor y un agente adhesivo de fusión. El hecho de que esta reacción térmica deba permanecer dentro de límites estrechos de temperatura en los materiales biológicos y al mismo tiempo la temperatura sea difícil de medir de forma no invasiva, ha sido un problema para la aplicación de procesos de soldadura en medicina. No obstante los investigadores superaron el problema desarrollando un agente aglutinante con nanopartículas para calentar y para controlar por nanotermometría la temperatura.

Mediante impresora 3D realizan la pasta de unión que contiene 25% de albúmina, 6,5% de gelatina (aporta colágeno) y dos tipos de nanopartículas, plasmones de resonancia superficial localizada y puntos cuánticos. Mientras la pasta se irradia con láser, los plasmones de resonancia superficial localizada convierten la luz en calor. Las nanopartículas de puntos cuánticos por otro lado, actúan como pequeños nanotermómetros. La radiación no adsorbida por la resonancia de los plasmones incide en los puntos cuánticos quienes emiten fluorescencia de una longitud de onda específica en función de la temperatura, lo que permite su medición y regulación de forma extremadamente precisa y en tiempo real.

Crédito: Nanothermometry-Enabled Intelligent Laser Tissue Soldering. Snall Methods 7(11) Nov. 2023

Para que una soldadura exitosa obtenga un cierre inmediato de la herida y una unión firme es necesario que la soldadura alcance la temperatura de desnaturalización del colágeno, que puede variar de 60 a 80 °C para los tejidos humanos. El control de dosimetría de la irradiación láser y el correspondiente aumento de temperatura es crucial para controlar el riesgo de daño tisular irreversible.

Los investigadores, junto con cirujanos del Hospital Universitario de Zúrich, la Clínica Cleveland (EE.UU.) y la Universidad Carolina (República Checa) realizaron pruebas de laboratorio con diversas muestras de heridas en órganos como el páncreas o el hígado logrando una unión rápida, estable y biocompatible con los tejidos. También fue igualmente exitoso el sellado con iSoldering de partes de tejidos particularmente difíciles, como la uretra, las trompas de Falopio y el intestino.

El otorgamiento de la patente será el paso inicial para avanzar en pruebas clínicas y luego destronar más de 5000 años de reinado de la sutura heridas con aguja e hilo.

Lectura complementaria:

Nanothermometry-Enabled IntelligentLaser TissueSoldering.

Nanoeconomy and/or Bioeconomy

Bioeconomy and nanoeconomy  emerged as a response to the problems raised by Physical Economics formulated by Nicholas Georgescu-Roegen (Vanderbilt University), through two publications: Analytical Economics (1966) and The Entropy Law and Economic Process (1971) in which the current economic and environmental problems are centered on the divorce between economic theories and the laws of nature.

Faced with the exponential and complex advance of these problems, close to his death, Nicolas Georgescu-Roegen has pointed out as the only possible solution to be able to respond to the growing demands of the nine primary human needs (health, energy, food, environmental care, clothing, housing, communication, transportation and defense), the emergence of integrated science-technologies capable of generating in time and form the necessary resources for all in order to restore the lost patterns and move towards a new equilibrium.

The answers have emerged from two integrated science-technologies capable of transforming nature: biotechnology and nanotechnology. Biotechnology, which uses living beings or parts of living beings, with its 65 million known genes and genetic engineering, and nanotechnology, with its capacity to innovate by building with atoms and molecules, provide the basis for new economies: The bioeconomy and the nanoeconomy, both included today under the denomination of economies of new technologies, tending to leave in the background the economy of globalization centered on the first technological convergence (information and communication technologies-ICTs) and incapable of responding to the economic and environmental needs of the 8 billion inhabitants of the planet.

The bioeconomy can provide answers to four primary human needs: health, food, energy and environmental care. Nanoeconomy, on the other hand, based on a technology with the capacity to innovate by building with atoms and molecules (of which the planet and human beings are made), is the only one with the real possibility of providing answers to all (the nine) primary human needs.

Let us take an example related to energy production. The generation of biomass consumes carbon dioxide. Then, when biomass is used as fuel, it generates carbon dioxide, which is reused by plants to generate biomass again, in an apparently neutral virtuous cycle of one of the main gases responsible for the greenhouse effect. However, the energy used in this cycle is only partially recovered, leaving a negative balance in the expenditure of usually non-renewable and polluting energies. On the other hand, the agricultural sector in general consumes the largest amount of fresh water on the planet (69%) which is contaminated with pesticides and fertilizers due to the extremely low and slow absorption of both products by plant roots. 95% of fertilizers and 99.9% of pesticides degrade before achieving their intended effects (Lowry et al. ACS Nano 2019, 13, 5, 5291-5305). In the case of nitrogen fertilizers dissolved in water they mostly end up as nitrogen oxides gases in the atmosphere, also contributing to the increase of the greenhouse effect.

Nanotechnology, on the other hand, with the appearance of nanopesticides and nanofertilizers for foliar application, makes it possible to reverse the slow absorption by plant roots, taking advantage of more than 90% of agrochemicals, reducing production costs and freshwater pollution. It also contributes to energy generation by improving the efficiency of solar panels through the use of some of its nanomaterials such as quantum dots. These allow, by regulating their diameter, to capture the infrared radiation (IR) that leaves the earth's surface at night and, when reflected in the clouds, produces global warming. In other words, they make it possible to create panels similar to solar panels but which generate photovoltaic energy at night using IR radiation. Other nanomaterials are making it possible to advance in the generation of energy in panels that work with ambient humidity and nanocatalysts capable of converting environmental carbon dioxide into methane (gas from stoves) among others and obtaining hydrogen fuel from water. New nanomaterials also improve the efficiency and durability of windmills. 

In short, the bio and nanoeconomy, with its technological bases, biotechnology that uses living beings or parts of living beings, with its 65 million known genes and genetic engineering, and nanotechnology with its capacity to innovate by building with atoms and molecules to provide answers to socioeconomic problems, are emerging as unique responses to the complexity of the needs of the earth with 8 billion inhabitants.

For a planet without direction, adrift in economic and environmental terms, an economy based on new technologies appears, capable of transforming nature to make life on earth possible.

La revolución en nanomedicina: los taladros moleculares.

En el año 2016 Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart y Bernard Feringa recibieron el premio Nobel de Química por iniciar un camino sin precedentes en la historia de la tecnología: la construcción de máquinas moleculares. Particularmente Bernad Feringa desarrolló el primer motor molecular en 1999. El motor como puede observarse en la figura consiste en un bis-heliceno conectado por un doble enlace. Cuando se le hace incidir luz visible la energía recibida hace que la molécula superior pueda rotar (rotor) al girar debido a que el doble enlace pasa a simple, mientras la molécula inferior soporta el conjunto (estator). Su velocidad es de 2-3 millones de giros por segundo, el rotor se mueve en una sola dirección cuando se exponen a la luz visible, esto provoca un movimiento de perforación capaz de matar las células al destruir su superficie. Un verdadero taladro molecular eficaz contra las hongos, bacterias (incluso las resistentes a los antibióticos) y las células cancerosas. 

En un artículo publicado el 30 de enero del 2023 en la revista Advanced Science se utilizan estos taladros moleculares para matar hongos que causan el pie de atleta, una persistente infección  que contrae aproximadamente el 70% de las personas  en algún momento de su vida y que podría volverse mucho más fácil de eliminar gracias a los taladros a nanoescala activados por luz visible. Los investigadores unen a la base o estator moléculas para guiar al taladro a un sector específico de las células (figura siguiente), a las mitocondrias. Al apuntar a su destrucción las moléculas interrumpen el metabolismo, lo que resulta en un desequilibrio energético general que conduce a un flujo descontrolado de agua e iones como el calcio hacia la célula, lo que eventualmente las hace explotar.

Una nanomedicina totalmente novedosa sin las contraindicaciones de los fármacos químicos y con posibilidades ilimitadas para destruir en forma específica microorganismos y células malignas.  

Información complementaria:

Video del Premio Nobel Ben Feringa explicando los motores moleculares. 

Visible-Light-Activated Molecular Machines Kill Fungi byNecrosis Following Mitochondrial Dysfunction and CalciumOverload.

El Nano Day y el cambio climático

Cuando tenemos cantidades muy grandes, o muy pequeñas, de alguna de las magnitudes físicas se hace necesaria la multiplicación de las unidades por ciertas potencias de 10 para formar los múltiplos y submúltiplos o subdivisiones. A estos múltiplos y submúltiplos son los que llamamos prefijos (letras o sílabas usadas en el SI) los cuales se colocan antepuestos al nombre o símbolo de la unidad que se está manejando para expresar la cantidad. Cada prefijo tiene un símbolo determinado como se muestra en la siguiente tabla:

La nanotecnología es una ciencia-tecnología integrada cuyo ámbito de trabajo de desarrolla en la denominada nanoescala cuyos límites van desde 1 a 100 nm (nanómetros).

¿Qué es Nano Day? El Nano Day, o Día Nacional de la Nanotecnología, es una celebración iniciada por la Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI) de Estados Unidos para celebrar todos los avances logrados por la disciplina. Pero, ¿por qué se festeja el 9 de octubre? La respuesta proviene del uso de la notación científica y cómo se relaciona con los prefijos métricos.

El prefijo nano, como puede verse en la tabla, es 10^-9, si se baja el exponente queda 10-9 y como en inglés se escribe primero el mes y luego el día vinculado con el prefijo nano es de 9 de octubre.  

El día  se festeja en todos los países y la NNI lo focaliza cada año en un área de las múltiples a las cuales la Nanotecnología puede dar respuestas a través de sus innovadoras construcciones con átomos y moléculas. El tema del Día Nacional de la Nanotecnología en el año 2022 es el “papel de la Nanotecnología en la comprensión y respuesta al cambio climático y la mejora de la salud de la Tierra y su gente”. Área  que  solemos denominar Nanotecnología Ambiental.

¡Un gran día para todos los nanotecnólogos! y gracias por todo lo que hacen pero más por lo que seguro van hacer por el futuro por el planeta. 

Lectura complementaria:

National Nanotechnology Day.

Terapia con nanopartículas previene coágulos de sangre

En los EE. UU. aproximadamente 900.000 personas sufren coágulos sanguíneos que ponen en riesgo su vida cada año. Recientemente una terapia de nanopartículas se centra en los neutrófilos hiperactivos, un tipo específico de glóbulo blanco, para prevenir casi todos los tipos de coágulos sanguíneos sin causar un mayor riesgo de sangrado. Los hallazgos preclínicos los han publicado investigadores de los University Hospitals(UH) y de la Case Western Reserve University de Cleveland, en la revista Science Translational Medicine, bajo el título A targetable pathway in neutrophils mitigates both arterial and venous thrombosis.

Crédito: Lalita Nayak y col. Science Translational Medicine. Vol 14. 660.  2022

Históricamente la trombosis arterial y venosa se han considerado como eventos moleculares distintos que requieren paradigmas de tratamiento separados. La trombosis arterial (un coágulo arterial), que puede causar un ataque al corazón o un accidente cerebrovascular, se trata comúnmente con agentes antiplaquetarios como la aspirina, mientras que los anticoagulantes se usan para tratar la trombosis venosa (un coágulo en una vena), una causa de dolor o hinchazón en las piernas y/o coágulos en los pulmones. En el nuevo estudio han utilizado modelos animales para demostrar que los neutrófilos hiperactivos participan en la trombosis arterial y venosa a través de una mayor capacidad para migrar y adherirse a los sitios de lesión. También que los neutrófilos hiperactivos aumentan la producción de factores clave utilizados como componentes básicos en  los coágulos. Para tratar de detener el proceso, los investigadores identificaron un grupo de receptores únicos para los neutrófilos activados y desarrollaron nanopartículas recubiertas de anticuerpos (nanopartículas inmunorreguladoras) que se dirigen específicamente a esos grupos evitando que participen en la formación del coágulo. Los resultados demuestran un papel significativo para los neutrófilos activados en la trombosis tanto arterial como venosa e identifican eventos moleculares clave que sirven como objetivos potenciales para la nanoterapia contra diversas causas de inmunotrombosis.

Información complementaria:

A targetable pathway in neutrophils mitigates both arterial and venous thrombosis.

Nanomedicina para tratar la colitis ulcerosa

Más de 78 millones de personas en el planeta sufre de la enfermedad inflamatoria intestinal (EII), un nombre general para la enfermedad de Crohn y la colitis ulcerosa. La EII es una enfermedad inflamatoria crónica y recurrente del tracto gastrointestinal. Es dificultoso crear diagnósticos y terapias apropiados para la EII porque se desconoce el origen de la enfermedad. La mayoría de los medicamentos modernos tienen efectos adversos graves a corto o largo plazo, como alterar la función bacteriana o fúngica intestinal estimulando el crecimiento de cáncer. En el reciente artículo (revista Biomaterials) investigadores de la  Georgia State University, descubrieron un enfoque terapéutico potencial para tratar la colitis ulcerosa: la administración oral de nanopartículas lipídicas conteniendo cadenas específicas de ácidos nucleicos.

Esquema de las nanopartículas lipídicas sólidas utilizadas en las vacunas contra COVID-19.

Los científicos han creado nuevas nanopartículas lipídicas en este estudio utilizando ácido fosfatídico (PA), monogalactosildiacilglicerol (MGDG) y digalactosildiacilglicerol (DGDG). Las nuevas nanopartículas lipídicas incluyen ARNm de IL-22 para producir la proteína IL-22 que mantiene la estabilidad de las células que recubren las superficies del cuerpo, acelera la cicatrización de heridas, actúa como una barrera contra los mediadores proinflamatorios y está altamente correlacionada con los genes propensos a la EII. La administración oral de nanopartículas lipídicas de IL-22 elevó el nivel de expresión de proteína de IL-22 en el tejido colónico de ratones. Los ratones con colitis aguda alimentados con nanopartículas de lípidos IL-22 experimentaron un proceso de curación acelerado, como lo indica la recuperación de más peso corporal y de la longitud del colon. 

Los resultados sugieren que las nanopartículas de lípidos modificadas por ingeniería inversa son una excelente plataforma de administración de ARNm para el tratamiento de la colitis ulcerosa .

Lectura complementaria:

Oral delivery of IL-22 mRNA-loaded lipid nanoparticles targeting the injured intestinal mucosa: A novel therapeutic solution to treat ulcerative colitis

Vacunas de nanogeles para inmunizar contra tumores

La generación de respuestas inmunitarias humorales y celulares específicas desempeña un papel fundamental en el desarrollo de vacunas eficaces contra los tumores. Las diferentes estrategias, que van desde la entrega de ARNm que codifican antígenos hasta péptidos o antígenos completos, son accesibles, pero a menudo tienen una inmunogenicidad insuficiente y requieren adyuvantes inmunoestimulantes, así como plataformas transportadoras para garantizar la estabilidad y la retención adecuada. En el artículo “Systemically Administered TLR7/8 Agonist and Antigen-Conjugated Nanogels Govern Immune Responses against Tumors“ (ACS Nano) investigadores de distintas instituciones de Alemania  presentan una plataforma de nanogel sensible al pH como una vacuna antitumoral de dos componentes que es segura para la aplicación intravenosa y provoca respuestas inmunitarias sólidas in vitro e in vivo.

Crédito: Judith Stickdorn y col. ACS Nano 2022 , 16 , 3 , 4426–4443

La nueva clase de vacuna consta de dos componentes: en primer lugar, el antígeno, específico de la célula tumoral (extraído del tejido de un paciente) que debe ser reconocido por el sistema inmunitario como un "enemigo" y en segundo lugar, el activador inmunitario, un "aguijón" capaz de sacudir al sistema inmunológico. El diseño químico subyacente permite la unión covalente directa del antígeno y un adyuvante inmunitario (agonista de TLR7/8) en el mismo sistema nanoportador. La nanovacuna de dos componentes produjo en estudios profilácticos y terapéuticos una reducción del crecimiento específico de diferentes tumores. Las múltiples y versátiles  oportunidades para la funcionalización de los nanogeles los hace prometedores en el desarrollo de nanovacunas altamente personalizadas y potentes. Toda una alternativa eficiente a las vacunas de ARNm.  

Lectura complementaria:      

Systemically Administered TLR7/8 Agonist and Antigen-Conjugated Nanogels Govern Immune Responses against Tumors

¿Tiene futuro un planeta abarrotado de habitantes?

Un informe de Naciones Unidas permite inferir que la población mundial alcanzaría los 8.000 millones de personas el 15 de noviembre del 2022. En el año 1 de nuestra Era cristiana la población era de sólo 250 millones. Debieron Trascurrir 1.649 años para su duplicación hasta los 500 millones de habitantes. Una nueva duplicación tardó 150 años, recién se arribó a los 1.000 millones en el año 1800. La tercera ha demorado 100 años, en 1900 el planeta llegó a los 2.000 millones. Para una cuarta duplicación no hubo que esperar tanto, en 1970 la población ya era de 4.000 millones. Finalmente la quinta ha necesitado solo 52 años, habremos alcanzado los 8.000 millones de habitantes a fines del 2022. 

Científicos como el destacado Edward O. Wilson de la Universidad de Harvard, estiman mediante cálculos basados en la disponibilidad de los recursos disponibles, una  capacidad máxima de 9.000-10.000 millones de habitantes en la  Tierra.  La GFN (Global Footprint Network) y la NEF (New Economics Fundation) anualmente hacen el cálculo de la velocidad con que los humanos consumen los recursos generados en el planeta. 

El "día del agotamiento" (Global Overshoot Day) es la fecha en que se consumen totalmente los recursos naturales producidos en la tierra durante el año agotando el presupuesto establecido. El resto del año se vive  a crédito de las futuras generaciones sobreexplotando los recursos naturales,  acumulando exceso de carbono en la atmósfera y con la imposibilidad de procesar toda la basura generada. El "día del agotamiento" en el año 1970 cuando la población era de 4000 millones de habitantes fue el 29 de diciembre, mientras  que en el año 2019, antes de la pandemia, se adelantó al 29 de julio con una población 7673 millones. Es decir un aumento en la población mundial de 3673 millones de habitantes, a pesar del incremento de los recursos generados, produjo un adelanto en el Global Overshoot Day, de 5 meses. El vertiginoso crecimiento de la población mundial condujo a problemas significativos como el incremento en la demanda de energía, alimentos y servicios de salud, aumento de la contaminación en general producto de la mayor cantidad de habitantes y de la actividad humana, peligrosa acumulación de gases que conducen al calentamiento global, declive constante de la diversidad biológica ante la apropiación de más espacios físicos por el hombre, concentración de los recursos en pocos habitantes, aproximación a la “carga máxima de la tierra” cercana a los 9.000-10.000 millones de habitantes y hasta un ascenso de lo irracional. En el contexto señalado urge el auxilio de nuevas tecnologías capaces de transformar la naturaleza para intentar restituir las pautas perdidas y hacer posible la vida en el planeta. Esas ciencias-tecnologías integradas son la Nanotecnología y la Biotecnología con su capacidad de dar respuestas a las necesidades humanas primarias: energía, alimentos, salud, cuidado del ambiente, vivienda, vestimenta, comunicación, transporte y defensa. La Biotecnología da respuesta a las primeras cuatro y la Nanotecnología, con su capacidad para innovar construyendo con átomos y moléculas, a todas.

Si el planeta tiene alguna chance de futuro dependerá de una gestión internacional comprometida con la posibilidad de dar soluciones concretas a las problemáticas planteadas mediante la utilización racional e inteligente de estas nuevas tecnologías impulsadas hacia un crecimiento exponencial por las necesidades acuciantes de un planeta abarrotado con 8.000 millones de habitantes.

Lectura complementaria:

Informe de población. Anuario de Relaciones Internacionales

Producción sostenible de grafeno a partir del coque

La industria petroquímica enfrenta desafíos en la gestión de cada uno de sus productos debido al continuo aumento de la preocupación por el uso sostenible de los recursos. Incluso los subproductos de la refinación del petróleo, como el coque, son difíciles de utilizar de forma sostenible. El petróleo crudo es una mezcla de muchos hidrocarburos diferentes, con porciones ligeras que se convierten en gas natural, mientras que las porciones más pesadas forman materiales viscosos o incluso sólidos. Uno de los muchos productos provenientes de la refinación del petróleo crudo es el coque sólido.

  Crédito: Saha, S., Lakhe, P.., Manson, M.J. y col. npj 2D Matterials and  Applications 5 (75)

Se lo suele utilizar como combustible para calefacción en varias industrias y su combustión produce más CO₂ por masa de combustible que el carbón. Estas preocupaciones resaltan la necesidad global de reutilizar los derivados del petróleo existentes, como el coque y sus aceites precursores, hacia usos finales sostenibles. En el artículo, Sustainable production of graphene from petroleum coke using electrochemical exfoliation investigadores de la Universidad de Texas A&M y ExxonMobil han desarrollando un método para reprocesar el coque de petróleo como precursor para la producción de grafeno. La exfoliación electroquímica se utiliza para producir nanoláminas de pocas capas de grafeno a partir de coque de petróleo, en lugar del método clásico de grafito. El producto final se separa del material sin reaccionar mediante un proceso de centrifugación de dos pasos, además el recocido ulterior aumenta sustancialmente la conductividad eléctrica del grafeno. El desarrollo tiene potencial para que la industria produzca un nanomaterial de alto valor agregado evitando los usos del coque generadores de altas emisiones contaminantes. En el futuro, tal vez, la industria petroquímica pueda desarrollar métodos similares sostenibles para que derivados del petróleo se conviertan en nanomateriales de carbono de alto valor agregado como los nanotubos y el grafeno.

Lectura complementaria:

Sustainable production of graphene from petroleum coke using electrochemical exfoliation.

Sí, las vacunas COVID-19 pueden contener nano-objetos

El COVID-19 se ha convertido en una de las principales causas de mortalidad mundial y ha provocado trastornos masivos de salud y económicos. La vacunación mundial intensiva ofrece el camino más eficiente para poner fin a la pandemia. Las vacunas COVID-19 de primera generación (ARNm o vectores virales) están avanzando a un ritmo fenomenal. Las de Pfizer y Moderna utilizan un nanodelivery de  nanopartículas lipídicas (LNP) para proteger al lábil ARNm de modo que pueda llegar al ribosoma intacto para producir las proteínas antigénicas. Estas vacunas presentan ventajas de fabricación frente a las realizadas con las modalidades tradicionales (vacunas inactivadas, vacunas vivas atenuadas y vacunas de proteínas recombinantes). En la actualidad crecen exponencialmente las vacunas con nanopartículas por su capacidad de brindar una oportunidad única para proporcionar soluciones a las pandemias actuales y futuras. Cabe señalar que en nanotecnología se define como nano-objeto aquello que por lo menos tiene una dimensión en la nanoescala (1 a 100 nanómetros). Si el nano-objeto tiene las tres dimensiones en la nanoescala se lo denomina nanopartícula (NP), si tiene dos nanofibra y si tiene una sola nanoplaca (Ej.: el grafeno). El desarrollo de vacunas de próxima generación con NPs proporciona vías para impulsar fuertes respuestas debido a que las pequeñas nanopartículas son capaces de estimular el sistema inmune  originando soluciones robustas. En la actualidad hay al menos 26  vacunas basadas en nanopartículas biológicas en ensayos clínicos en humanos (Tabla 1 del artículo Current and future nanoparticle vaccines for COVID-19) y aproximadamente otras 60 candidatas adicionales en diversas etapas de desarrollo preclínico.

En el contexto señalado aparece toda la discusión vinculada con el posible contenido de grafeno en las vacunas. Su origen puede encontrarse en la patente China CN112220919A del Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de Shanghai para la Nanotecnología, en la cual puede leerse que contiene como adjuvante óxido de grafeno. Su utilización probablemente se deba al impacto positivo del óxido de grafeno funcionalizado en determinadas células inmunitarias, un punto de partida para desarrollar plataformas biomédicas como nuevas inmunoterapias, portadores de vacunas y nanoadyuvantes (leer Single-cell mass cytometry and transcriptome profiling reveal the impact of graphene on human immune cells, y Recent progress of graphene oxide as a potential vaccine carrier and adjuvant).

A la discusión sobre el agregado o no de derivados del grafeno en las vacunas, se le adiciona artículos en los cuales se utiliza al grafeno como nanoantena flexible en sensores portátiles inalámbricos de RF (radioftrecuencia) o vinculadas a sistemas 5G. Por ejemplo  el artículo Flexible Graphene-Assembled Film-Based Antenna for WirelessWearable Sensor with Miniaturized Size and High Sensitivity realizado por investigadores de la Wuhan University of Technology, Wuhan, R. China. Este tipo de publicaciones también alimenta la imaginación de quienes postulan la colocación nano-objetos en las vacunas para luego realizar la localización y  seguimiento de los individuos...
Más de 26 vacunas basadas en NPs en ensayos clínicos en humanos y aproximadamente otras 60 en diversas etapas de desarrollo preclínico (estudios en animales) marcan toda una tendencia científico-tecnológica. Los estrictos entes de aprobación internacional de medicamentos tienen la responsabilidad de evaluar los estudios y garantizar con rigor y transparencia su utilización solo para la finalidad propuesta. 

Lecturas complementarias: 

Current and future nanoparticle vaccines for COVID-19. 

Single-cell mass cytometry and transcriptome profiling reveal the impact of graphene on human immune cells.

Flexible Graphene-Assembled Film-Based Antenna for Wireless Wearable Sensor with Miniaturized Size and High Sensitivity.

Recent progress of graphene oxide as a potential vaccine carrier and adjuvant.

Vacunas con estructuras MOF para infecciones urinarias

La Asociación Americana de Urología estima que 150 millones de infecciones urinarias ocurren anualmente en todo el mundo, generando $ 6000 millones en gastos médicos. Si no se tratan con éxito, las infecciones del tracto urinario (ITU) pueden provocar sepsis fatal. En el artículo Metal-Organic Framework Encapsulated Whole-Cell Vaccines Enhance Humoral Immunity against Bacterial Infection publicado en la revista ACS Nano, investigadores de la University of Texas de Dallas y del Institut Pasteur de  Paris, realizan  vacunas con células enteras para combatir las infecciones del tracto urinario (ITU), como parte de un esfuerzo para abordar el problema de las bacterias resistentes a los antibióticos.

Las vacunas funcionan intro- duciendo en el cuerpo una pequeña cantidad de gérmenes causantes de enfermedades muertos, debilitados o algunos de sus componentes. Estos antígenos impulsan al sistema inmunológico a producir anti- cuerpos contra una enfermedad en particular. La construcción de vacunas contra bacterias patógenas es intrínsecamente difícil debido a que las bacterias son significativamente más grandes y más complejas que los virus. Seleccionar cuales componentes biológicos usar para crear antígenos ha sido un gran desafío, en consecuencia, es preferible usar toda la célula a elegir solo una parte de una bacteria. Sin embargo, el enfoque de células completas tiene sus propios problemas. Las vacunas con bacterias muertas de células enteras no han tenido éxito, las células normalmente no duran lo suficiente en el cuerpo para producir respuestas inmunes duraderas a largo plazo. Esa es la razón por la cual los investigadores utilizan estructuras organometálicas (MOF) de zinc 2-metilimidazol para encapsular e inactivar células bacterianas completas  creando  un "depósito" para mayor durabilidad de las vacuna en el cuerpo. El  depósito de antígeno-MOF permite que un patógeno muerto e intacto exista en el tejido por más tiempo, como si fuera una infección, para desencadenar una respuesta del sistema inmunológico a gran escala. La estructura MOF desarrollada encapsula e inmoviliza una célula bacteriana en una matriz polimérica cristalina que no solo mata la bacteria sino también la preserva y estabiliza frente a altas temperaturas, humedad y disolventes orgánicos. 

Crédito: Jeremiah J. Gassensmith y col. ACS Nano 2021

Los investigadores utilizaron en su desarrollo una cepa de Escherichia coli, la E. coli uropatógena causante de alrededor del 80% de todas las infecciones urinarias. Las pruebas en roedores mostraron resultados excelentes. El estudio refuerza el concepto de que las vacunas de células enteras son las más efectivas en casos de sepsis letal extrema y sería la solución contra las infecciones urinarias recurrentes. El método de depósito de antígenos celulares también podría aplicarse ampliamente a otras infecciones bacterianas, incluidas la endocarditis y la tuberculosis.

Información complementaria: Metal-Organic Framework Encapsulated Whole-Cell Vaccines Enhance Humoral Immunity against Bacterial Infection

Nanotecnología & Sociedad del Conocimiento

En la sociedad industrial basada en el capital y las máquinas para la producción se podía comprar tecnología llave en mano para realizar emprendimientos relativamente exitosos. La evolución histórica nos demostró que ya no es suficiente. A partir de los años 70’ comenzó a surgir la sociedad del conocimiento, centrada en la aplicación intensiva del saber en todos los órdenes de la vida,  que requiere contar con recursos humanos innovadores altamente capacitados en ciencia y tecnología. Innovadores con capacidad para investigar, desarrollar nuevos productos, implementar los procesos de producción y encarar la gestión empresarial. La mutación de la sociedad industrial en la sociedad del conocimiento llegó aparejada con un cambio de paradigma: pasar de las ciencias centradas en el conocimiento y comprensión de la naturaleza a ciencias-tecnologías integradas capaces además de transformar la naturaleza para dar respuestas a los problemas económicos y ambientales del siglo XXI. Un claro ejemplo lo constituyen la biotecnología moderna (1973) y la nanotecnología (1974).

Resulta claro que la sociedad del conocimiento comenzó en los países desarrollados, mientras en los otros se dictaban leyes donde algunas de las tecnologías del siglo XXI vinculadas con las NBIC (Nano, Bio, Info y Cognotecnologías) se declaraban de interés o prioridad nacional. En la Argentina podemos citar el Plan Estrategico Nacional de Ciencia, Tecnologia e Innovacion “Bicentenario” (2006-2010) en el cuál aparecen, entre otras áreas prioritarias la biotecnología y la nanotecnología. En el citado documento se destaca en la visión del Sistema Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación (SNCTI) como valores esenciales “El conocimiento, como sustento de una cultura innovadora y solidaria” y “La educación, como base del acceso al conocimiento, la calidad de vida y la movilidad social”. Quince años después cuesta entender la causa por la cual en el país hay más de 15 carreras de grado universitario en biotecnología, mayoritariamente Licenciaturas en Biotecnología, en cambio hasta el 2017 no había ninguna en nanotecnología; año en cual se inicia la primera Licenciatura en Nanotecnología, destinada a formar innovadores nanotecnológicos, en la Universidad privada CAECE. La solución es parcial ya que aún hoy quienes no disponen de los recursos económicos necesarios están impedidos para cursar estudios de grado (curriculares e integrados) vinculados con la nanotecnología en el país. Una especie de sociedad del conocimiento declamada pero ligada a la conservadora-obsoleta sociedad industrial y al subdesarrollo.

Lecturas complementarias:

¿Por qué Nanotecnología? 10 respuestas.

Plan Estratégico Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación.

Nanocódigo de barras para células vivas

Usar códigos de barras para etiquetar e identificar artículos de uso diario es cada vez más usual. No lo es tanto llevar esos códigos de barras a una escala nanométrica de modo que puedan usarse dentro de las células vivas para etiquetar, identificar y rastrear los componentes básicos de la vida. En el artículo Nanorods with multidimensional optical information beyond the diffraction limit realizado por investigadores de la Universidad de Tecnología de Sydney (UTS) y publicado en Nature communications, se explica el desarrollo de un método de crecimiento de nanocristales que controla la dirección del crecimiento, produciendo capas delgadas atómicas programables, nanobarras con códigos de barras arbitrarios y con uniformidad morfológica. El resultado son millones de diferentes tipos de códigos de nanobarras que pueden formar una "biblioteca" para futuras aplicaciones de detección en la nanoescala.

Crédito: Universidad de Tecnología de Sydney. Nature communications 

Las estructuras inorgánicas son rígidas y es fácil controlar la precisión de la composición, el grosor y la distancia entre los diferentes segmentos funcionales para códigos de barras geométricos más allá del límite de difracción óptica. Por ser química y ópticamente estables, los códigos de barras nanoscópicos se pueden utilizar como portadores para la administración y el seguimiento de fármacos en la célula. Tales estructuras de códigos de barras son de interés en una variedad de aplicaciones como nanoportadores de información para biotecnología, ciencias de la vida y almacenamiento de datos en general. Los dispositivos también se pueden utilizar en la lucha contra la falsificación de alto nivel de seguridad cuando se mezclan diferentes lotes de ellos con tintas obteniéndose productos de alto valor de autenticación.

Lectura complementaria:

Nanoscopic barcodes set a new science limit