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.

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.

Traductor permite a bacterias y levaduras comunicarse

En el artículo Nanoprogrammed Cross-Kingdom Communication Between Living Microorganisms publicado por investigadores de la Universidad de Valencia se presenta un traductor construido a partir de nanopartículas de sílice unidas a dos moléculas para permitir la comunicación entre bacterias y levaduras. Las células se comunican entre sí utilizando el lenguaje de la química, pero las de diferentes reinos, como las bacterias y las levaduras, hablan “dialectos” ininteligibles entre ellos. En la naturaleza, muchas células envían y reciben señales químicas permitiendo a las bacterias regular su comportamiento, a los hongos aparearse y a las células humanas notificar amenazas entre sí. Atentos a lo expuesto los investigadores crearon un dispositivo de traducción a nanoescala para poder enviar una señal química entre miembros de dos reinos de vida diferentes, algo que no sucede a menudo en el mundo natural. 

Crédito: Nano Lett. 2022, 5, 1836-1844

El traductor está formado por nanopartículas de sílice a las que se le unieron dos moléculas: una que reacciona con la glucosa y la otra molécula es la fleomicina (antibiótico). El sistema de señalización consta de dos pasos. Primero, iniciaron una señal al exponer E. coli a la lactosa. Las bacterias con-virtieron la lactosa en glucosa, que reaccionó con el nano-traductor. Luego, el dispositivo liberó fleomicina, un compuesto mensajero. La levadura Saccharomyces cerevisiae detectó la fleomicina y respondió con fluorescencia, algo para lo que había sido modificada genéticamente. La información fluye desde las células emisoras (bacterias) al nanodispositivo y desde el nanodispositivo a las células receptoras (levaduras) de forma jerárquica, permitiendo la comunicación entre dos microorganismos que de otro modo no interactuan. Se prevén muchas aplicaciones posibles para sistemas de comunicación similares basados ​​en nanotraductores. Por ejemplo, estos dispositivos podrían usarse para decirle a las células la necesidad de apagar ciertos procesos y de encender otros, o para alterar la actividad de las células inmunitarias humanas en el tratamiento de múltiples enfermedades.

Información Complementaria:

Nanoprogrammed Cross-Kingdom Communication Between Living Microorganisms.

Impresión 3D con bacterias vivas.

Un equipo de investigación de la ETH Zürich (Escuela Politécnica Federal de Zúrich) dirigido por el Profesor André Studart, Jefe del Laboratorio de Materiales Complejos, ha presentado una nueva plataforma de impresión 3D que funciona utilizando materia viva. Los investigadores desarrollaron una tinta con bacterias para imprimir minifábricas bioquímicas con ciertas propiedades, según la especie de bacteria que los científicos selecciones. Utilizaron las bacterias Pseudomonas putida y Acetobacter xylinum en su trabajo. La primera puede descomponer el fenol químico tóxico, que se produce a gran

escala en la industria química, mientras que la segunda secreta nanocelulosa de alta pureza. Esta nanocelulosa bacteriana alivia el dolor, retiene la humedad y es estable, lo que abre posibles aplicaciones en el tratamiento de quemaduras. La nueva plataforma de impresión ofrece numerosas combinaciones potenciales. 

En una sola pasada, los científicos pueden usar hasta cuatro tintas diferentes con especies

de bacterias distintas y/o en variadas concentraciones para producir objetos con múltiples propiedades. La estructura de la tinta está formada por un hidrogel biocompatible. El hidrogel en sí está compuesto de ácido hialurónico, moléculas de azúcar de cadena larga y sílice pirogénica. El medio de cultivo para la bacteria se mezcla en la tinta de modo que la bacteria tenga todos los requisitos previos necesarios para la vida. Usando este hidrogel como base, se pueden agregar bacterias con el "rango de propiedades" deseado para  imprimir la estructura tridimensional requerida. 
A corto plazo tal vez sea muy poco lo que no se pueda producir con la impresión 3D. 

Lectura complementaria:
3D printing of bacteria into functional complex materials

Manobiocables de alta conductividad.

Los investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst, dirigidos por el microbiólogo Dr. Derek Lovley, modificaron genéticamente una bacteria común del suelo para crear nanocables eléctricos capaces de conducir la electricidad. Un material para ser utilizado en nanoelectrónica constituido por proteínas naturales y producido utilizando recursos energéticos "verdes" renovables . Geobacter es una bacteria productora de nanocables microbianos (filamentos proteicos similares a pelos que sobresalen del organismo) con los cuales realiza conexiones eléctricas con los óxidos de hierro del suelo. Generalmente produce suficiente electricidad para su propia supervivencia, no obstante la corriente eléctrica es demasiado débil para uso en humanos, aunque es suficiente para ser medida con electrodos. El equipo del Dr. Derek Lovley varió la composición genética de la bacteria para incorporar en sus proteínas más aminoácido triptófano muy bueno para el transporte de electrones a nanoescala. Los resultados superaron las expectativas del equipo; los nanocables “genéricos” con mayor cantidad de triptófano y  un diámetro de 1,5 nanómetros conducen 2000 veces más la corriente eléctrica y son mucho más duraderos y pequeños que los naturales. Estos nanocables presentan numerosas aplicaciones potenciales en dispositivos electrónicos e informáticos. Por ejemplo, pueden ser instalados en los sensores médicos donde su sensibilidad a los cambios de pH permite controlar aspectos cardíacos o renales, pueden  “alimentar eléctricamente” a microorganismos especialmente diseñados para crear butanol u otros combustibles alternativos y formar parte de nanochips para monitorear  contaminantes, productos químicos tóxicos y explosivos. Nanobiocables de alta conductividad, un ejemplo de desarrollo realizado a partir del conocimiento y las necesidades de las nuevas tecnologías (NBIC). 

Lectura complementaria:

Synthetic Biological Protein Nanowires with High Conductivity.

Nanobiochip para detectar infecciones en 15 minutos.

Los organismos patógenos infectan a cerca de 250 millones de personas al año en el mundo. Un 8%, aproximadamente 20 millones de personas, mueren. La detección temprana de infecciones puede prevenir muchas muertes. En abril del 2016 comenzará a comercializarse un  nuevo dispositivo con capacidad para detectar las infecciones bacterianas en 15 minutos. Fue desarrollado por un equipo de científicos de la Universidad de Stellenbosch (Sudáfrica) y financiado por The Technology Innovation Agency. Un paciente tragará una cápsula conteniendo un nanobiochip para la detección de infecciones causadas por patógenos tales como E. coli, Salmonella y V.cholera y sabrá de inmediato, a través de distintos métodos físicos de detección,  la causa de su infección.

La energía piezoeléctrica desempeña un papel clave en el proceso de identificación. Cuando ciertos materiales tales como los nanoalambres de óxido de zinc son aplastados o presionados generan una carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. La más mínima perturbación en la estructura de los nanocables en el nanobiochip produce energía piezoeléctrica amplificable para producir una lectura de voltaje. El nanobiochip contiene anticuerpos específicos para posibilitar la  detección de los patógenos. Las bacterias son microorganismos flagelados. Los flagelos son como pequeñas colas; su vigoroso movimiento es utilizado para propulsarlas a muy alta velocidad perturbando los nanocables del dispositivo al avanzar hacia los anticuerpos, generando una señal electrónica debido al efecto piezoeléctrico. Las pruebas para detectar las infecciones bacterianas no necesariamente necesitan ser realizadas en el cuerpo del paciente. Una gota de sangre o de esputo es suficiente para la detección de enfermedades como la tuberculosis. El uso de un nanochip-antígeno específico también podría proporcionar una excelente plataforma para probar la calidad del agua. Detectar infecciones en 15 minutos, una utopía hecha realidad por la nanobiotecnología. 

Nanopartículas aumentan un 200% la producción de biogás a partir de residuos orgánicos.

Investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) y de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) han desarrollado BiogásPlus, una tecnología que permite aumentar hasta un 200% la producción de biogás mediante la introducción controlada de nanopartículas de óxido de hierro en los procesos de tratamiento de residuos orgánicos. El sistema se basa en la utilización de nanopartículas de óxido de hierro como un aditivo para estimular la actividad de las bacterias encargadas de degradar la materia orgánica. Este aditivo aumenta de manera sostenida la producción de biogás y al mismo tiempo transforma las nanopartículas de hierro en sales inocuas. El desarrollo constituye un enfoque totalmente innovador en la mejora de la producción de biogás y el tratamiento de residuos orgánicos por constituir la primera aplicación de nanopartículas para esta finalidad. Hoy en día la producción de biogás es relativamente poco eficiente, convirtiendo sólo del 30 al 40% de la materia orgánica, si se compara con otras fuentes de energía. Las pruebas de BiogásPlus han demostrado un incremento de hasta un 200% en la producción del gas combustible. Esto constituye una solución rentable y sostenible para el procesamiento de residuos orgánicos, favoreciendo la expansión de esta fuente de energía renovable. De momento, BiogásPlus ya se ha aplicado con éxito en celulosa y barros de plantas depuradoras urbanas, pero también puede ser utilizada en diferentes aplicaciones de la digestión anaerobia, como por ejemplo, residuos agrícolas, residuos industriales y urbanos. La tecnología BiogásPlus, que ya ha sido patentada, recibió en 2011 una subvención de 100.000 dólares de la Fundación Bill & Melinda Gates para poner a prueba la capacidad de las nanopartículas de óxido de hierro, lo que permitió comprobar la eficacia de su aplicación en un digestor piloto de 100 litros de capacidad. Este año BiogásPlus ha sido uno de los proyectos ganadores de la tercera edición del Fondo de Emprendedores de Repsol. Otro ejemplo de simbiosis entre la nanotecnología y la  biotecnología.