Nanotecnología viral

La nanotecnología viral consiste en el uso de virus como fuente de nanopartículas para fines biomédicos. Los virus están compuestos por un genoma y una cápside ; algunos virus están envueltos. La mayoría de las cápsides virales miden entre 20 y 500 nm de diámetro. Debido a sus dimensiones nanométricas, los virus se han considerado nanopartículas de origen natural. Las nanopartículas virales han sido objeto de estudio en las disciplinas de la nanociencia y la nanoingeniería. Los virus pueden considerarse nanopartículas prefabricadas . Se han estudiado muchos virus diferentes para diversas aplicaciones en nanotecnología : por ejemplo, los virus de mamíferos se están desarrollando como vectores para la administración de genes, y los bacteriófagos y los virus de plantas se han utilizado en la administración de fármacos y aplicaciones de imagen , así como en vacunas e inmunoterapia . ^{[ 1 ]}

La nanotecnología viral es una de las disciplinas emergentes más prometedoras de la nanotecnología. Como campo altamente interdisciplinario, la nanotecnología viral se sitúa en la interfaz entre la virología, la biotecnología, la química y la ciencia de los materiales. Este campo emplea nanopartículas virales (VNP) y sus contrapartes, las nanopartículas similares a virus (VLP), para posibles aplicaciones en diversos campos como la electrónica, los sensores y, sobre todo, el ámbito clínico. ^{[ 2 ]} Las VNP y las VLP son bloques de construcción atractivos por varias razones. Ambas partículas tienen un tamaño nanométrico; son monodispersas con un alto grado de simetría y polivalencia; pueden producirse fácilmente a gran escala; son excepcionalmente estables y robustas, biocompatibles y, en algunos casos, biodisponibles por vía oral. ^{[ 3 ]} Son unidades "programables" que pueden modificarse mediante modificación genética o métodos de bioconjugación química. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La nanotecnología consiste en la manipulación o autoensamblaje de átomos, moléculas o cúmulos moleculares individuales para formar estructuras que permitan crear materiales y dispositivos con propiedades nuevas o muy diferentes. La nanotecnología puede funcionar de arriba hacia abajo (reduciendo el tamaño de las estructuras más pequeñas a la nanoescala) o de abajo hacia arriba (manipulando átomos y moléculas individuales para formar nanoestructuras). La definición de nanotecnología se basa en el prefijo "nano", que proviene de la palabra griega que significa "enano". En términos más técnicos, "nano" significa 10⁻⁹ ^, o una milmillonésima parte de algo. Para una comparación significativa, un virus tiene aproximadamente 100 nanómetros (nm) de tamaño. Por lo tanto, un virus también puede considerarse una nanopartícula. El término nanotecnología se utiliza generalmente para referirse a materiales con un tamaño de entre 0,1 y 100 nanómetros; sin embargo, es inherente que estos materiales presenten propiedades diferentes a las de los materiales a granel (o micrométricos y de mayor tamaño) debido a su tamaño. ^{[ 2 ]} Estas diferencias incluyen la resistencia física, la reactividad química, la conductancia eléctrica, el magnetismo y los efectos ópticos.

La nanotecnología tiene un abanico casi ilimitado de aplicaciones en biología, biotecnología y biomedicina. ^{[ 6 ]} La nanotecnología ha generado un creciente entusiasmo debido a la capacidad de producir y utilizar materiales, dispositivos y sistemas mediante el control de la materia a escala nanométrica (de 1 a 50  nm). Este enfoque ascendente requiere menos material y causa menos contaminación. La nanotecnología ha tenido diversas aplicaciones comerciales en tecnología láser avanzada, recubrimientos duros, fotografía, productos farmacéuticos, impresión, pulido químico-mecánico y cosméticos. ^{[ 7 ]} Pronto habrá automóviles más ligeros que utilicen polímeros reforzados con nanopartículas, insulina de administración oral, articulaciones artificiales hechas de materiales nanoparticulados y alimentos bajos en calorías con potenciadores del sabor nanoparticulados. ^{[ 8 ]}

Los virus se han estudiado durante mucho tiempo como patógenos mortales que causan enfermedades en todas las formas de vida. ^{[ 9 ]} En la década de 1950, los investigadores comenzaron a considerar los virus como herramientas además de patógenos. Los genomas de bacteriófagos y los componentes de la maquinaria de expresión de proteínas se han utilizado ampliamente como herramientas para comprender los procesos celulares fundamentales. Sobre la base de estos estudios, varios virus se han explotado como sistemas de expresión en biotecnología. Posteriormente, en la década de 1970, los virus se utilizaron como vectores en beneficio de los seres humanos. ^{[ 10 ]} Desde entonces, los virus se utilizan con frecuencia como vectores para la terapia génica, el control del cáncer y el control de organismos dañinos o perjudiciales, tanto en la agricultura como en la medicina. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Recientemente, un nuevo enfoque para explotar los virus y sus cápsides en biotecnología comenzó a cambiar hacia su uso en aplicaciones de nanotecnología. Los investigadores Douglas y Young (Universidad Estatal de Montana, Bozeman, MT, EE. UU.) fueron los primeros en considerar la utilidad de una cápside viral como nanomaterial. ^{[ 16 ]} Tomaron el virus vegetal Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV) para su estudio. El CCMV mostró una plataforma altamente dinámica con transiciones estructurales dependientes del pH y de iones metálicos. Douglas y Young utilizaron esta dinámica de la cápside e intercambiaron la carga natural (ácido nucleico) con materiales sintéticos. Desde entonces, muchos materiales se han encapsulado en CCMV y otras VNP. Casi al mismo tiempo, el equipo de investigación liderado por Mann (Universidad de Bristol, Reino Unido) fue pionero en una nueva área utilizando las partículas en forma de varilla del TMV (Tobacco Mosaic Virus). Las partículas se utilizaron como plantillas para la fabricación de una gama de nanoestructuras de nanotubos metalizados utilizando técnicas de mineralización. ^{[ 17 ]} Las partículas de TMV también se han utilizado para generar diversas estructuras (nanotubos y nanocables) para su uso en baterías y dispositivos de almacenamiento de datos. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Las cápsides virales han despertado gran interés en el campo de la nanobiología debido a su tamaño a nanoescala, su organización estructural simétrica, su capacidad de carga, su autoensamblaje controlable y su facilidad de modificación. Los virus son esencialmente nanomateriales naturales capaces de autoensamblarse con un alto grado de precisión. ^{[ 4 ]} Las estructuras híbridas de cápsides virales y nanopartículas, que combinan las bioactividades de las cápsides virales con las funciones de las nanopartículas, constituyen una nueva clase de bionanomateriales con numerosas aplicaciones potenciales como vectores terapéuticos y de diagnóstico, agentes de imagen y reactores avanzados para la síntesis de nanomateriales. ^{[ 4 ]}

Los sistemas basados ​​en virus vegetales, en particular, se encuentran entre los más avanzados y explotados por su potencial uso como nanomateriales estructurados bioinspirados y nanovectores. Las nanopartículas de virus vegetales no son infecciosas para las células de mamíferos, como también lo demostraron Raja Muthuramalingam et al. en 2018. ^{[ 20 ]} Los virus vegetales tienen un tamaño especialmente adecuado para aplicaciones a nanoescala y pueden ofrecer varias ventajas. De hecho, son estructuralmente uniformes, robustos, biodegradables y fáciles de producir. ^{[ 4 ]} Además, existen numerosos ejemplos de funcionalización de nanopartículas basadas en virus vegetales mediante la modificación de su superficie externa y la carga de moléculas en su cavidad interna. Esta plasticidad en términos de ingeniería de nanopartículas es la base sobre la que se puede explotar plenamente la multivalencia, la contención de la carga útil y la administración dirigida. ^{[ 21 ]}

George P. Lomonossoff escribe en "Avances recientes en virología vegetal", Las cápsides de la mayoría de los virus vegetales son estructuras simples y robustas que consisten en múltiples copias de uno o pocos tipos de subunidades proteicas dispuestas con simetría icosaédrica o helicoidal. Las cápsides pueden producirse en grandes cantidades ya sea por infección de plantas o por la expresión de la(s) subunidad(es) en una variedad de sistemas heterólogos. En vista de su relativa simplicidad y facilidad de producción, las partículas de virus vegetales o partículas similares a virus (VLP) han atraído mucho interés en los últimos 20 años para aplicaciones tanto en bio- como en nanotecnología [Lomonossoff, 2011 ^{[ 22 ]} ]. Como resultado, las partículas de virus vegetales han sido sometidas a modificación genética y química, se han utilizado para encapsular material extraño y se han incorporado a estructuras supramoleculares. Significativamente, los virus vegetales estudiados no son patógenos humanos, los cuales no tienen una tendencia natural a interactuar con los receptores de la superficie de las células humanas. ^{[ 23 ]} Recientemente, se informó que un virus fitopatógeno se utilizó para sintetizar nanomateriales de metales híbridos nobles utilizados como biosemiconductores. ^{[ 20 ]}

• Los virus vegetales tienen muchas formas y tamaños: por ejemplo, el virus vegetal del mosaico del tabaco (TMV) mide 300x18 nm y forma una varilla hueca. ^{[ 26 ]} El virus vegetal del virus X de la patata (PVX) forma filamentos flexibles de 515x13 nm. ^{[ 27 ]} Los siguientes virus tienen simetría icosaédrica y miden entre 25 y 30  nm: el virus vegetal del mosaico del caupí (CPMV), ^{[ 28 ]} el bacteriófago Qbeta y el virus adenoasociado de mamíferos (AAV). ^{[ 29 ]}
• Estos son solo algunos ejemplos; se están diseñando y estudiando muchos virus diferentes para sus posibles aplicaciones en medicina. Algunos ejemplos de virus de plantas incluyen el virus del moteado clorótico del caupí , el virus del moteado necrótico del trébol rojo, el virus del mosaico de Physalis y el virus del mosaico de la papaya .
• Los virus vegetales y los bacteriófagos no son infecciosos para los mamíferos. A diferencia de los virus que afectan a los mamíferos, no existe riesgo de infección viral.
• Se pueden producir partículas similares a virus (VLP) que carecen del genoma viral; estas VLP no son infecciosas para las plantas y, por lo tanto, se consideran seguras también desde un punto de vista agrícola. ^{[ 5 ]}
• Los virus y sus contrapartes no infecciosas pueden producirse mediante la cría molecular en plantas o la fermentación en cultivos celulares.
• Las nanopartículas basadas en virus pueden diseñarse para aplicaciones específicas utilizando diversos enfoques de biología química:
  • La modificación genética puede utilizarse para modificar la secuencia de aminoácidos de la proteína de la cápside (también conocida como proteína de la cubierta). ^{[ 30 ]}
  • La química de bioconjugación puede utilizarse para introducir cargas no biológicas o biológicas. ^{[ 31 ]}
  • Por último, aunque a menudo se muestran como materiales rígidos, los virus son materiales dinámicos que experimentan hinchazón y otros cambios conformacionales que permiten la infusión o encapsulación de carga en sus cápsides virales. ^{[ 32 ]}

Se están desarrollando y estudiando diversas tecnologías de plataformas de virus vegetales para muchas aplicaciones ^{[ 1 ],} entre las que se incluyen:

• Vacunas : VLP o plataformas de visualización de epítopos
• Inmunoterapias : vacunas in situ
• Agentes de contraste para imágenes moleculares
• Administración de fármacos : dirigida tanto a la salud humana como a la salud vegetal.
• Electrodos de batería
• Aplicaciones de sensores