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Nanobiotecnología

Nanobiotecnología , bionanotecnología y nanobiología son términos que se refieren a la intersección de la nanotecnología y la biología . [ 1 ] Dado que el tema es uno que ha sur...

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Nanobiotecnología , bionanotecnología y nanobiología son términos que se refieren a la intersección de la nanotecnología y la biología . [ 1 ] Dado que el tema es uno que ha surgido muy recientemente, la bionanotecnología y la nanobiotecnología sirven como términos generales para varias tecnologías relacionadas.

Esta disciplina ayuda a señalar la fusión de la investigación biológica con diversos campos de la nanotecnología. Los conceptos que se potencian mediante la nanobiología incluyen: nanodispositivos (como máquinas biológicas ), nanopartículas y fenómenos a nanoescala que ocurren dentro de la disciplina de la nanotecnología. Este enfoque técnico de la biología permite a los científicos imaginar y crear sistemas que pueden utilizarse para la investigación biológica. La nanotecnología de inspiración biológica utiliza sistemas biológicos como inspiración para tecnologías aún no creadas. [ 2 ] Sin embargo, al igual que la nanotecnología y la biotecnología , la bionanotecnología presenta muchos problemas éticos potenciales asociados.

Un ribosoma es una máquina biológica . La dinámica de los dominios proteicos solo puede observarse mediante espectroscopia de eco de espín de neutrones .

Los objetivos más importantes que se encuentran frecuentemente en nanobiología implican la aplicación de nanoherramientas a problemas médicos/biológicos relevantes y el perfeccionamiento de estas aplicaciones. El desarrollo de nuevas herramientas, como las nanohojas de peptoides , para fines médicos y biológicos es otro objetivo primordial en nanotecnología. Las nuevas nanoherramientas a menudo se crean perfeccionando las aplicaciones de las nanoherramientas que ya se utilizan. La obtención de imágenes de biomoléculas nativas , membranas biológicas y tejidos es también un tema importante para los investigadores en nanobiología. Otros temas relacionados con la nanobiología incluyen el uso de sensores de matriz de voladizos y la aplicación de la nanofotónica para manipular procesos moleculares en células vivas. [ 3 ]

Recientemente, el uso de microorganismos para sintetizar nanopartículas funcionales ha despertado gran interés. Los microorganismos pueden modificar el estado de oxidación de los metales. Estos procesos microbianos han abierto nuevas oportunidades para explorar aplicaciones novedosas, como la biosíntesis de nanomateriales metálicos. A diferencia de los métodos químicos y físicos, los procesos microbianos para la síntesis de nanomateriales pueden llevarse a cabo en fase acuosa en condiciones suaves y respetuosas con el medio ambiente. Este enfoque se ha convertido en un foco de interés en la investigación actual sobre bionanotecnología verde orientada al desarrollo sostenible. [ 4 ]

Terminología

Los términos se usan a menudo indistintamente. Sin embargo, cuando se pretende hacer una distinción, esta se basa en si el enfoque está en la aplicación de ideas biológicas o en el estudio de la biología con nanotecnología. La bionanotecnología generalmente se refiere al estudio de cómo los objetivos de la nanotecnología pueden guiarse por el estudio del funcionamiento de las "máquinas" biológicas y la adaptación de estos motivos biológicos para mejorar las nanotecnologías existentes o crear otras nuevas. [ 5 ] [ 6 ] La nanobiotecnología, por otro lado, se refiere a las formas en que se utiliza la nanotecnología para crear dispositivos para estudiar sistemas biológicos. [ 7 ]

En otras palabras, la nanobiotecnología es esencialmente biotecnología miniaturizada , mientras que la bionanotecnología es una aplicación específica de la nanotecnología. Por ejemplo, la nanotecnología del ADN o la ingeniería celular se clasificarían como bionanotecnología, ya que implican trabajar con biomoléculas a nanoescala. Por el contrario, muchas tecnologías médicas novedosas que utilizan nanopartículas como sistemas de administración o sensores serían ejemplos de nanobiotecnología, puesto que emplean la nanotecnología para impulsar los objetivos de la biología.

Las definiciones enumeradas anteriormente se utilizarán siempre que en este artículo se haga una distinción entre nanobio y bionano. Sin embargo, dado el uso común de ambos términos en el lenguaje actual, puede ser necesario evaluar cada tecnología individualmente para determinar qué término es más apropiado. Por lo tanto, conviene analizarlos en paralelo.

Conceptos

La kinesina camina sobre un microtúbulo . Es una máquina biológica molecular que utiliza la dinámica de dominios proteicos a nanoescala.

La mayoría de los conceptos científicos en bionanotecnología provienen de otros campos. Los principios bioquímicos que se utilizan para comprender las propiedades materiales de los sistemas biológicos son fundamentales en bionanotecnología, ya que esos mismos principios se emplearán para crear nuevas tecnologías. Las propiedades y aplicaciones de los materiales estudiadas en la bionanociencia incluyen propiedades mecánicas (por ejemplo, deformación, adhesión, falla), eléctricas/electrónicas (por ejemplo, estimulación electromecánica, capacitores , almacenamiento de energía/baterías), ópticas (por ejemplo, absorción, luminiscencia , fotoquímica ), térmicas (por ejemplo, termomutabilidad, gestión térmica), biológicas (por ejemplo, cómo interactúan las células con los nanomateriales, defectos/fallas moleculares, biodetección, mecanismos biológicos como la mecanosensación ), nanociencia de enfermedades (por ejemplo, enfermedades genéticas, cáncer, falla de órganos/tejidos), así como computación biológica (por ejemplo, computación de ADN ) y agricultura (entrega dirigida de pesticidas, hormonas y fertilizantes. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] El impacto de la bionanociencia, lograda a través de análisis estructurales y mecanísticos de procesos biológicos a nanoescala, es su traducción a aplicaciones sintéticas y tecnológicas a través de la nanotecnología.

La nanobiotecnología se basa en gran medida en la nanotecnología. La mayoría de los dispositivos diseñados para uso nanobiotecnológico se fundamentan directamente en otras nanotecnologías existentes. La nanobiotecnología se utiliza a menudo para describir las actividades multidisciplinares interrelacionadas con los biosensores , especialmente donde convergen la fotónica , la química, la biología, la biofísica , la nanomedicina y la ingeniería. La medición en biología mediante técnicas de guía de ondas, como la interferometría de doble polarización , es otro ejemplo.

Aplicaciones

Las aplicaciones de la bionanotecnología son sumamente diversas. En lo que respecta a la distinción, la nanobiotecnología es mucho más común, ya que simplemente proporciona más herramientas para el estudio de la biología. La bionanotecnología, por otro lado, promete recrear mecanismos y vías biológicas de una forma que resulte útil en otros ámbitos.

Nanomedicina

La nanomedicina es un campo de la ciencia médica cuyas aplicaciones están en aumento.

Nanobots

El campo incluye nanorobots y máquinas biológicas , que constituyen una herramienta muy útil para desarrollar esta área del conocimiento. En los últimos años, los investigadores han realizado muchas mejoras en los diferentes dispositivos y sistemas necesarios para desarrollar nanorobots funcionales, como el movimiento y la guía magnética. [ 11 ] [ 12 ] Esto supone una nueva forma de tratar y abordar enfermedades como el cáncer; gracias a los nanorobots, los efectos secundarios de la quimioterapia podrían controlarse, reducirse e incluso eliminarse, por lo que dentro de unos años, a los pacientes con cáncer se les podría ofrecer una alternativa para tratar estas enfermedades en lugar de la quimioterapia, que causa efectos secundarios como la caída del cabello, fatiga o náuseas, matando no solo las células cancerosas sino también las sanas. Los nanobots podrían utilizarse para diversas terapias, cirugía, diagnóstico e imágenes médicas [ 13 ] , como a través de la administración dirigida de fármacos al cerebro (similar a las nanopartículas ) y otros sitios. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] La programabilidad para combinaciones de características como "penetración de tejido, focalización de sitio, respuesta a estímulos y carga de carga" hace que estos nanobots sean candidatos prometedores para la " medicina de precisión ". [ 17 ]

A nivel clínico, el tratamiento del cáncer con nanomedicina consistiría en la administración de nanorobots al paciente mediante una inyección. Estos nanorobots buscarían las células cancerosas sin dañar las sanas. De este modo, los pacientes tratados con nanomedicina no notarían la presencia de estas nanomáquinas en su organismo; lo único perceptible sería la mejora progresiva de su salud. La nanobiotecnología podría ser útil para la formulación de medicamentos.

Se ha propuesto el uso de "antibióticos de precisión" para emplear mecanismos de bacteriocinas en antibióticos dirigidos. [ 18 ] [ 19 ]

nanopartículas

Las nanopartículas ya se utilizan ampliamente en medicina. Sus aplicaciones se superponen con las de los nanobots y, en algunos casos, puede resultar difícil distinguirlas. Se pueden utilizar para el diagnóstico y la administración dirigida de fármacos , encapsulando medicamentos. [ 20 ] Algunas se pueden manipular mediante campos magnéticos y, por ejemplo, experimentalmente se ha logrado la liberación de hormonas controlada a distancia de esta manera. [ 21 ]

Un ejemplo de aplicación avanzada en desarrollo son las nanopartículas de diseño tipo "caballo de Troya" que hacen que las células sanguíneas eliminen, desde adentro hacia afuera, porciones de la placa aterosclerótica que causan ataques cardíacos [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] y que actualmente son la causa de muerte más común a nivel mundial . [ 25 ] [ 26 ]

células artificiales

Las células artificiales, como los glóbulos rojos sintéticos que poseen todas o muchas de las propiedades y capacidades naturales conocidas de las células naturales , podrían utilizarse para cargar sustancias funcionales como hemoglobina , fármacos, nanopartículas magnéticas y biosensores de ATP , lo que podría permitir funcionalidades adicionales no nativas. [ 27 ] [ 28 ]

Otro

Se ha demostrado que las nanofibras que imitan la matriz que rodea a las células y contienen moléculas diseñadas para ondular son una terapia potencial para las lesiones de la médula espinal en ratones. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

Técnicamente, la terapia génica también puede considerarse una forma de nanobiotecnología o un avance hacia ella. [ 32 ] Un ejemplo de un área de desarrollos relacionados con la edición del genoma que es más claramente nanobiotecnología que las terapias génicas más convencionales, es la fabricación sintética de materiales funcionales en tejidos. Los investigadores lograron que gusanos C. elegans sintetizaran, fabricaran y ensamblaran materiales bioelectrónicos en sus células cerebrales. Esto permitió la modulación de las propiedades de la membrana en poblaciones neuronales específicas y la manipulación del comportamiento en los animales vivos, lo que podría ser útil en el estudio y tratamiento de enfermedades como la esclerosis múltiple en particular, y demuestra la viabilidad de dicha fabricación sintética in vivo. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] Además, estas neuronas genéticamente modificadas podrían permitir la conexión de componentes externos, como extremidades protésicas, a los nervios. [ 36 ]

Los nanosensores basados ​​en, por ejemplo, nanotubos, nanocables, voladizos o microscopía de fuerza atómica podrían aplicarse a dispositivos/sensores de diagnóstico [ 20 ].

Nanobiotecnología

La nanobiotecnología (a veces denominada nanobiología) en medicina puede describirse mejor como aquella que ayuda a la medicina moderna a progresar desde el tratamiento de los síntomas hasta la generación de curas y la regeneración de tejidos biológicos .

Tres pacientes estadounidenses han recibido vejigas cultivadas completas con la ayuda de médicos que utilizan técnicas de nanobiología en su práctica. Además, se ha demostrado en estudios con animales que se puede cultivar un útero fuera del cuerpo y luego implantarlo para producir un bebé . Los tratamientos con células madre se han utilizado para corregir enfermedades cardíacas y se encuentran en ensayos clínicos en Estados Unidos. También existe financiación para la investigación que permita a las personas obtener nuevas extremidades sin necesidad de prótesis. Asimismo, podrían fabricarse proteínas artificiales sin necesidad de productos químicos agresivos ni maquinaria costosa. Incluso se ha especulado que para el año 2055, las computadoras podrían estar hechas de sustancias bioquímicas y sales orgánicas . [ 37 ]

Biosensores in vivo

Otro ejemplo de la investigación nanobiotecnológica actual involucra nanoesferas recubiertas con polímeros fluorescentes. Los investigadores buscan diseñar polímeros cuya fluorescencia se atenúe al entrar en contacto con moléculas específicas. Diferentes polímeros detectarían diferentes metabolitos. Las esferas recubiertas de polímeros podrían formar parte de nuevos ensayos biológicos, y la tecnología podría algún día dar lugar a partículas que podrían introducirse en el cuerpo humano para rastrear metabolitos asociados con tumores y otros problemas de salud . Otro ejemplo, desde una perspectiva diferente, sería la evaluación y terapia a nivel nanoscópico, es decir, el tratamiento de nanobacterias (de 25 a 200  nm de tamaño), como lo hace NanoBiotech Pharma.

Biosensores in vitro

Las "nanoantenas" hechas de ADN —un nuevo tipo de antena óptica a nanoescala— pueden unirse a proteínas y producir una señal por fluorescencia cuando estas realizan sus funciones biológicas, en particular debido a sus cambios conformacionales específicos . Esto podría utilizarse en otras áreas de la nanobiotecnología, como diversos tipos de nanomáquinas, para desarrollar nuevos fármacos, para la investigación biológica y para abrir nuevas vías en bioquímica. [ 38 ] [ 39 ]

Energía

También puede ser útil en energía sostenible : en 2022, investigadores informaron sobre electrodos nano-"rascacielos" impresos en 3D (aunque a microescala , los pilares tenían nanocaracterísticas de porosidad debido a tintas de nanopartículas metálicas impresas ) (nanotecnología) que albergan cianobacterias para extraer sustancialmente más bioenergía sostenible de su fotosíntesis (biotecnología) que en estudios anteriores. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

Nanobiología

Aunque la nanobiología está en sus inicios, existen muchos métodos prometedores que podrían basarse en ella en el futuro. Los sistemas biológicos son inherentemente nanoescala; la nanociencia debe fusionarse con la biología para ofrecer biomacromoléculas y máquinas moleculares similares a la naturaleza. Controlar e imitar los dispositivos y procesos que se construyen a partir de moléculas es un desafío tremendo para las disciplinas convergentes de la nanobiotecnología. [ 45 ] Todos los seres vivos, incluidos los humanos , pueden considerarse nanofundiciones . La evolución natural ha optimizado la forma "natural" de la nanobiología durante millones de años. En el siglo XXI, los humanos han desarrollado la tecnología para aprovechar artificialmente la nanobiología. Este proceso se describe mejor como "fusión orgánica con sintética". Colonias de neuronas vivas pueden vivir juntas en un dispositivo de biochip ; según la investigación de Gunther Gross en la Universidad del Norte de Texas . Los nanotubos autoensamblables tienen la capacidad de ser utilizados como un sistema estructural. Estarían compuestos junto con rodopsinas ; lo que facilitaría el proceso de computación óptica y ayudaría con el almacenamiento de materiales biológicos. El ADN (como software para todos los seres vivos) puede utilizarse como un sistema proteómico estructural, un componente lógico para la computación molecular. Ned Seeman, investigador de la Universidad de Nueva York , junto con otros investigadores, están investigando conceptos similares entre sí. [ 46 ]

Bionanotecnología

Distinción de la nanobiotecnología

En términos generales, la bionanotecnología se distingue de la nanobiotecnología en que se refiere a la nanotecnología que utiliza materiales/componentes biológicos; en principio, podría utilizar, o de hecho utiliza, componentes abióticos. Desempeña un papel menor en la medicina (que se ocupa de los organismos biológicos). Utiliza sistemas o elementos naturales o biomiméticos para crear nanoestructuras únicas y diversas aplicaciones que pueden no estar directamente relacionadas con la biología, sino principalmente con aplicaciones biológicas. Por el contrario, la nanobiotecnología utiliza biotecnología miniaturizada a escala nanométrica o incorpora nanomoléculas en sistemas biológicos. En algunas aplicaciones futuras, ambos campos podrían fusionarse. [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]

ADN

La nanotecnología del ADN es un ejemplo importante de bionanotecnología. [ 50 ] La utilización de las propiedades inherentes de los ácidos nucleicos como el ADN para crear materiales o dispositivos útiles, como biosensores [ 51 ] , es un área prometedora de la investigación moderna.

El almacenamiento de datos digitales de ADN se refiere principalmente al uso de hebras de ADN sintetizadas pero convencionales para almacenar datos digitales, lo que podría ser útil, por ejemplo, para el almacenamiento de datos a largo plazo de alta densidad [ 52 ] que no se accede ni se escribe con frecuencia, como alternativa al almacenamiento de datos ópticos 5D o para su uso en combinación con otras nanobiotecnologías.

Materiales de membrana

Otra área importante de investigación consiste en aprovechar las propiedades de las membranas para generar membranas sintéticas. Las proteínas que se autoensamblan para generar materiales funcionales podrían utilizarse como un enfoque novedoso para la producción a gran escala de nanomateriales programables. Un ejemplo es el desarrollo de amiloides presentes en biopelículas bacterianas como nanomateriales diseñados que pueden programarse genéticamente para tener diferentes propiedades. [ 53 ]

Nanotecnología lipídica

La nanotecnología lipídica es otra área importante de investigación en bionanotecnología, donde se aprovechan las propiedades fisicoquímicas de los lípidos, como su capacidad antiincrustante y autoensamblaje, para construir nanodispositivos con aplicaciones en medicina e ingeniería. [ 54 ] Los enfoques de la nanotecnología lipídica también pueden utilizarse para desarrollar métodos de emulsión de próxima generación que maximicen tanto la absorción de nutrientes liposolubles como la capacidad de incorporarlos en bebidas populares. [ 55 ]

Computación

Los " memristores " fabricados a partir de nanocables de proteína de la bacteria Geobacter sulfurreducens , que funcionan a voltajes sustancialmente más bajos que los descritos anteriormente, podrían permitir la construcción de neuronas artificiales que funcionen a voltajes de potenciales de acción biológicos . Estos nanocables presentan diversas ventajas sobre los nanocables de silicio, y los memristores podrían utilizarse para procesar directamente señales de biodetección , para computación neuromórfica (véase también: computación de software húmedo ) y/o para la comunicación directa con neuronas biológicas . [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]

Otro

Los estudios sobre el plegamiento de proteínas constituyen una tercera vía de investigación importante, pero que se ha visto limitada en gran medida por nuestra incapacidad para predecir dicho plegamiento con suficiente precisión. Sin embargo, dada la multitud de usos que los sistemas biológicos dan a las proteínas, la investigación para comprender su plegamiento es de suma importancia y podría resultar fructífera para la bionanotecnología en el futuro.

Agricultura

En la industria agrícola, las nanopartículas diseñadas han servido como nanotransportadores, conteniendo herbicidas, productos químicos o genes, que se dirigen a partes específicas de las plantas para liberar su contenido. [ 59 ] [ 60 ]

Anteriormente se ha informado que las nanocápsulas que contienen herbicidas penetran eficazmente a través de cutículas y tejidos, permitiendo la liberación lenta y constante de las sustancias activas. Asimismo, otros estudios describen que la liberación lenta de fertilizantes nanoencapsulados se ha convertido en una tendencia para ahorrar en el consumo de fertilizantes y minimizar la contaminación ambiental mediante la agricultura de precisión . Estos son solo algunos ejemplos de numerosos trabajos de investigación que podrían abrir interesantes oportunidades para la aplicación de la nanobiotecnología en la agricultura. Además, antes de emplear este tipo de nanopartículas diseñadas en prácticas agrícolas, se debe considerar su nivel de compatibilidad. Tras una exhaustiva revisión bibliográfica, se constató que existe información fidedigna limitada para explicar las consecuencias biológicas de las nanopartículas diseñadas en las plantas tratadas. Algunos informes destacan la fitotoxicidad de nanopartículas diseñadas de diversos orígenes para la planta, debido a las concentraciones y tamaños. Sin embargo, también se han publicado numerosos estudios con resultados positivos sobre el uso de nanopartículas que promueven el crecimiento de las plantas. [ 61 ] En particular, en comparación con otras nanopartículas, las aplicaciones basadas en nanopartículas de plata y oro produjeron resultados beneficiosos en varias especies de plantas con menor o ninguna toxicidad. [ 62 ] [ 63 ] Las hojas de espárrago tratadas con nanopartículas de plata (AgNPs) mostraron un mayor contenido de ascorbato y clorofila. De manera similar, el frijol común y el maíz tratados con AgNPs han aumentado la longitud del tallo y la raíz, el área de la superficie foliar, el contenido de clorofila, carbohidratos y proteínas, según se informó anteriormente. [ 64 ] La nanopartícula de oro se ha utilizado para inducir el crecimiento y el rendimiento de semillas en Brassica juncea. [ 65 ]

La nanobiotecnología se utiliza en cultivos de tejidos . [ 66 ] La administración de micronutrientes a nivel de átomos y moléculas individuales permite estimular diversas etapas del desarrollo, iniciar la división celular y diferenciar en la producción de material vegetal, el cual debe ser cualitativamente uniforme y genéticamente homogéneo. El uso de nanopartículas de zinc (ZnO NPs) y plata (Ag NPs) ofrece muy buenos resultados en la micropropagación de crisantemos mediante el método de fragmentos de brotes de un solo nudo. [ 66 ]

Herramientas

Este campo se basa en una variedad de métodos de investigación, que incluyen herramientas experimentales (por ejemplo, imágenes, caracterización mediante AFM /pinzas ópticas, etc.), herramientas basadas en difracción de rayos X , síntesis mediante autoensamblaje, caracterización del autoensamblaje (utilizando, por ejemplo, MP-SPR , DPI , métodos de ADN recombinante , etc.), teoría (por ejemplo, mecánica estadística , nanomecánica, etc.), así como enfoques computacionales ( simulación multiescala ascendente , supercomputación ).

Gestión de riesgos

A partir de 2009, los riesgos de las nanobiotecnologías son poco conocidos y en EE. UU. no existe un consenso nacional sólido sobre qué tipo de principios de política regulatoria deben seguirse. [ 32 ] Por ejemplo, las nanobiotecnologías pueden tener efectos difíciles de controlar en el medio ambiente o los ecosistemas y la salud humana. Las nanopartículas a base de metales utilizadas con fines biomédicos son extremadamente atractivas en diversas aplicaciones debido a sus características fisicoquímicas distintivas, que les permiten influir en los procesos celulares a nivel biológico. El hecho de que las nanopartículas a base de metales tengan altas relaciones superficie-volumen las hace reactivas o catalíticas. Debido a su pequeño tamaño, es más probable que puedan penetrar barreras biológicas como las membranas celulares y causar disfunción celular en los organismos vivos. De hecho, la alta toxicidad de algunos metales de transición puede dificultar el uso de NP de óxido mixto en aplicaciones biomédicas. Provoca efectos adversos en los organismos, causando estrés oxidativo , estimulando la formación de ROS, perturbación mitocondrial y modulación de las funciones celulares, con resultados fatales en algunos casos. [ 67 ]

Bonin señala que "la nanotecnología no es una entidad homogénea específica y determinada, sino una colección de capacidades y aplicaciones diversas" y que la investigación y el desarrollo en nanobiotecnología se ven afectados, como en muchos otros campos, por problemas de doble uso . [ 68 ]

Véase también

Referencias

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  • ¿Qué es la bionanotecnología? — una introducción en vídeo al campo.
  • Nanobiotecnología en ortopedia