Nanotecnología & Biotecnología

La nanociencia en la biotecnología JOHN LUONG INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN EN BIOTECNOLOGÍA CONSEJO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN OTTAWA (CANADÁ)  02/02/01 Lea este artículo en inglés.

Simplemente imagínense que la información de mil discos compactos pudiese concentrarse en el espacio de un reloj de pulsera... Ésta es la dirección que está llevando, actualmente, la ciencia de la nanotecnología. Aunque se estima que esta disciplina nóvel tiene, hoy por hoy, el mismo nivel de desarrollo que las tecnologías informáticas y de la información en la década de los cincuenta del siglo pasado, se espera que pase a ser una de las tecnologías estratégicas dominantes en el espacio de los próximos diez a veinte años. La nanotecnología tendrá un rosario casi interminable de aplicaciones en biotecnología, biología y biomedicina. Llegará un día en que el concepto de crear, por ejemplo, un nanosensor implantable para detectar moléculas cancerígenas dejará de ser rechazado como el pensamiento iluso de soñadores con los ojos abiertos.

La nanotecnología ha conseguido engendrar entre los miembros de la comunidad científica un sentimiento creciente de emoción, ante la idea de poder crear y utilizar materiales, artefactos y sistemas a través del control de la materia a escala nanométrica (1-50 nm.). Este enfoque ascendente (de abajo a arriba) requiere menos material y provoca menos contaminación. La nanotecnología se ha materializado en varias aplicaciones comerciales en las áreas de la tecnología láser avanzada, la fotografía, los revestimientos duros, la farmacia, la impresión, el limpiado químico-mecánico y la cosmética. Pronto tendremos automóviles más ligeros construidos con polímeros reforzados con nanopartículas, insulina de posología oral, articulaciones artificiales fabricadas con nanomateriales y alimentos hipocalóricos con ensalzadores de sabor nanoparticulados. El progreso de la biotecnología se ha visto facilitada por la disponibilidad de tecnologías previas, tales como las trampas ópticas, los rayos láser, la fuerza atómica, el barrido electrónico y los microscopios de efecto túnel. Estas herramientas permiten al biotecnólogo un mayor conocimiento, y una mejor caracterización y control de las células vivas. En la actualidad, las nanomáquinas y los materiales bioinspirados se forman mediante auto-ensamblado, impresión molecular y otras técnicas de montaje. Los nanoreactores fabricados a partir de micelios invertidos son capaces de producir cristalitos a nano escala muy bien definidos o de manipular moléculas proteicas individuales. Es posible que las aplicaciones biotecnológicas de la nanociencia o la nanotecnología no sean tan avanzadas como sus homólogas no-biotecnológicas. No obstante, la I+D en nanobiotecnología tiene un futuro vastísimo por delante, particularmente en las siguientes áreas: Aplicación de medicamentos: el 50% de los medicamentos útiles son hidrofóbicos, y la reducción del tamaño de las partículas farmacológicas a nanoescala podría mejorar considerablemente su administración. Los nanomateriales con altos niveles de porosidad son idóneos de cara a conseguir una aplicación de medicamentos más controlada. Terapia génica: la terapia génica exitosa depende del desarrollo de vectores génicos seguros y eficaces. Los vectores no virales, las nanopartículas, los complejos entre lípidos y los polímeros con ADN han sido propuestos como alternativas a los virus, utilizados para introducir genes específicos en determinadas células. Las avances en la nanotecnología pronto se materializarán en el perfeccionamiento de la preparación de tales nanopartículas de ADN. Nanobiosensores / nanochips de ADN: los nanobiosensores tienen varias aplicaciones inmediatas en investigación genérica, entre las que cabría destacar el monitoreo de los componentes nanométricos inherentes a las células vivas y la detección de amenazas biológicas tales como contaminantes, contaminación microbial, viruses, enfermedades genéticas y contagiosas, y cáncer. Es posible que la tecnología del chip genético (ADN array) desempeñe un papel importante en el proceso de la nanofabricación. Los nanosensores también pueden emplearse para conseguir un mejor (más rápido y sensible) cribado de fármacos, actualmente uno de los factores limitantes en química combinacional, en el área de descubrimiento y desarrollo de medicamentos. Los biodispositivos en forma de chip podrían revolucionar el campo de la detección y la gestión de la enfermedad. Un nanosensor puede, por ejemplo, combinarse con un sistema de aplicación de fármacos a nanoescala para dispensar las cantidades ópticas de los medicamentos en aras de maximizar su eficacia. Sistemas de análisis nano-totales: estos nanosistemas también se conocen como “chips de nanolaboratorio”, y se distinguen de los sensores sencillos porque llevan a cabo análisis completos (reacción, separación y detección) dentro de un mismo nanochip. Integran tres elementos importantes: un sistema de nanofluídos, un mecanismo de separación (normalmente electroforesis) y un elemento de detección. En la medida en que tienen la capacidad de proporcionar información química y bióloga con mayor rapidez y de forma más económica, los chips de nanolaboratorio en array pueden modificar en profundidad las actuales prácticas de diagnóstico clínico, secuenciación genómica, control medioambiental y seguridad alimentaria, entre otras áreas de interés público. Bioprocesos a nanoescala orientados hacia la bioreparación medioambiental: propiedades recién descubiertas de los nanocristales, tales como TiO2, que prometen como fotocatalizadores, pueden utilizarse en combinación con microorganismos para desmenuzar contaminantes tóxicos, y así limpiar todo tipo de flujos residuales. Los dispositivos limpiadores o barredores a nanoescala pueden capturar metales pesados en lugares contaminados. Coexisten, no obstante, varios problemas asociados a la comercialización de la nanotecnología. A menudo se cita el rendimiento superior de los transistores elaborados con nanotubos de carbón. Desafortunadamente, es casi imposible producir tales transistores en masa para la fabricación de chips informáticos. De igual modo, todavía quedan muchos retos por superar en relación a la síntesis y al procesado de nanopartículas portadoras de fármacos, a nivel comercial. Otro asunto de importancia crítica es la integración de nanoestructuras o nanodispositivos dentro de los sistemas o plataformas más amplias, a escala humana, que los rodean, de forma que puedan ser utilizados como componentes de dispositivos electrónicos, sensores, etc. Las nanoestructuras son a menudo inestables debido al reducido tamaño de sus constituyentes y a su alta actividad química. Por lo tanto, un reto importante es aumentar la estabilidad termal, química y estructural de estos materiales, y de los dispositivos fabricados con ellos. Por último, el problema mayor al que podría tener que enfrentarse la nanotecnología, en su afán por comercializarse, es el coste de producción. Con la infinidad de nanomateriales y nanoestructuras con las que ya disponemos, es obvio que, con el tiempo, se desarrollarán más y más nano-objetos con propiedades novedosas o mejoradas. No obstante, la viabilidad técnica y la comercial son dos cosas muy distintas. Uno de los factores clave es la identificación de áreas prometedoras tanto para la investigación futura como para el desarrollo comercial. La complejidad de los nanosistemas requiere con urgencia de programas de investigación interdisciplinar que apoyen este proceso. Varias aplicaciones potenciales de esta tecnología siguen estando en fase embrionaria, y el gobierno ha de desempeñar un papel importante a la hora de sostener el esfuerzo investigador que se precisa para establecer la infraestructura científica y tecnológica necesaria. La nanobiotecnología constituye una amplia área interdisciplinar, y como tal, se nutre de todo tipo de disciplinas: ingeniería, física, química, biología, microbiología, biomedicina, ciencia de los materiales y matemáticas, entre otras. Es absolutamente fundamental formar una nueva especie de investigador, capaz de trabajar y pensar saltando del ámbito de una disciplina a otra. Otro reto de la nanotecnología, pues, será promover más colaboración interdisciplinar y conseguir que haya más gente joven interesada en la ciencia y la ingeniería. Es esencial, por lo tanto, crear una serie de centros de excelencia de naturaleza interdisciplinar y cátedras de investigación en las universidades canadienses, de manera que haya cauces sólidos por los que llevar a cabo investigación y formar a estudiantes. Tales centros servirán de vehículos a través de los cuales fomentar la interacción entre los investigadores de cada campus, mediante convenios de investigación interdisciplinar entre sus diferentes departamentos. Estos centros deberán realizar investigación a largo plazo tanto en nanociencia como en ingeniería, con vistas a descubrir nuevas aplicaciones, procesos y fenómenos, y a obtener las herramientas necesarias para avanzar en el conocimiento. Para que el área de la nanociencia y la nanotecnología progrese, es imperativo que los planificadores de las universidades desarrollen currículos, políticas y líneas de investigación pertinentes. Han de organizarse numerosos seminarios y simposios con objetivos específicos para animar al gobierno, a las fundaciones privadas y a las industrias a que apoyen la investigación y la formación en nanotecnología. Por supuesto, se espera que las agencias de financiación, tanto federales como provinciales, desempeñen un papel importante a la hora de promover la investigación y el desarrollo en este importante campo. Han de contar con una “iniciativa nacional pro-nanotecnología” que apoye la investigación básica y un “plan de implementación” que evalúe su inversión estratégica en nanotecnología. Se espera que los laboratorios gubernamentales se sumerjan en la ola nanotecnológica, en línea con la política estatal al respecto, en colaboración con universidades y empresas. El Dr. John H. Luong es el jefe del grupo de tecnología de biosensores del Instituto de Investigación en Tecnología del Consejo Nacional de Investigación de Canadá. Se doctoró en ingeniería química por la McGill University en 1979. Es titular de siete patentes y es autor de más de ciento setenta trabajos de investigación. Es miembro de la New York Academy of Sciences, del American Institute of Chemical Engineers, la American Chemical Society y la American Association for the Advancement of Science (AAAS).