La nanobiotecnología , la bionanotecnología y la 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 indicar la fusión de la investigación biológica con varios campos de la nanotecnología. Los conceptos que se mejoran a través de 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 se pueden utilizar 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 con la nanotecnología y la biotecnología , la bionanotecnología tiene muchos problemas éticos potenciales asociados con ella.
Los objetivos más importantes que se encuentran con frecuencia en la nanobiología implican la aplicación de nanoherramientas a problemas médicos/biológicos relevantes y el refinamiento de estas aplicaciones. El desarrollo de nuevas herramientas, como nanoláminas de peptoides , para fines médicos y biológicos es otro objetivo principal en nanotecnología. Las nuevas nanoherramientas a menudo se crean refinando las aplicaciones de las nanoherramientas que ya se están utilizando. La obtención de imágenes de biomoléculas nativas , membranas biológicas y tejidos también es un tema importante para los investigadores de nanobiología. Otros temas relacionados con la nanobiología incluyen el uso de sensores de matriz en voladizo y la aplicación de la nanofotónica para manipular procesos moleculares en células vivas. [3]
Recientemente, el uso de microorganismos para sintetizar nanopartículas funcionales ha sido de gran interés. Los microorganismos pueden cambiar el estado de oxidación de los metales. [ cita requerida ] Estos procesos microbianos han abierto nuevas oportunidades para que exploremos nuevas aplicaciones, por ejemplo, la biosíntesis de nanomateriales metálicos. A diferencia de los métodos químicos y físicos, los procesos microbianos para sintetizar nanomateriales se pueden lograr en fase acuosa en condiciones suaves y ambientalmente benignas. Este enfoque se ha convertido en un foco atractivo en la actual investigación de bionanotecnología verde hacia el desarrollo sostenible. [4]
Los términos se utilizan a menudo indistintamente. Sin embargo, cuando se pretende hacer una distinción, se basa en si el enfoque se centra 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 mediante el estudio de cómo funcionan 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 porque implican trabajar con biomoléculas a escala nanométrica. Por el contrario, muchas tecnologías médicas nuevas que involucran nanopartículas como sistemas de administración o como sensores serían ejemplos de nanobiotecnología, ya que implican el uso de la nanotecnología para avanzar en los objetivos de la biología.
Las definiciones enumeradas anteriormente se utilizarán siempre que se haga una distinción entre nanobio y bionano en este artículo. Sin embargo, dado el uso superpuesto de los términos en el lenguaje moderno, puede ser necesario evaluar tecnologías individuales para determinar qué término es más adecuado. Por lo tanto, es mejor analizarlos en paralelo.
La mayoría de los conceptos científicos de la bionanotecnología se derivan de otros campos. Los principios bioquímicos que se utilizan para comprender las propiedades materiales de los sistemas biológicos son fundamentales en la bionanotecnología porque esos mismos principios se utilizan para crear nuevas tecnologías. Las propiedades y aplicaciones materiales estudiadas en la bionanociencia incluyen propiedades mecánicas (por ejemplo, deformación, adhesión, falla), eléctricas/electrónicas (por ejemplo, estimulación electromecánica, condensadores , 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, fallas de órganos/tejidos), así como computación biológica (por ejemplo, computación de ADN ) y agricultura (administración dirigida de pesticidas, hormonas y fertilizantes). [8] [9] [10] [11] El impacto de la bionanociencia, logrado a través de análisis estructurales y mecanicistas de procesos biológicos a nanoescala, es su traducción a aplicaciones sintéticas y tecnológicas a través de la nanotecnología.
La nanobiotecnología toma la mayoría de sus fundamentos de la nanotecnología. [ aclaración necesaria ] La mayoría de los dispositivos diseñados para uso nanobiotecnológico se basan directamente en otras nanotecnologías existentes. [ cita requerida ] La nanobiotecnología se utiliza a menudo para describir las actividades multidisciplinarias superpuestas asociadas con los biosensores , particularmente donde convergen la fotónica , la química, la biología, la biofísica , la nanomedicina y la ingeniería. La medición en biología utilizando técnicas de guía de ondas, como la interferometría de polarización dual , es otro ejemplo.
Las aplicaciones de la bionanotecnología están muy extendidas. En la medida en que se cumple 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 en una forma que sea útil en otros sentidos.
La nanomedicina es un campo de la ciencia médica cuyas aplicaciones están aumentando.
El campo incluye nanorobots y máquinas biológicas , que constituyen una herramienta muy útil para desarrollar esta área de 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. [12] [13] Esto supone una nueva forma de tratar y lidiar con 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 algunos años, a los pacientes con cáncer se les podría ofrecer una alternativa para tratar dichas enfermedades en lugar de la quimioterapia, [ cita requerida ] que causa efectos secundarios como pérdida de cabello, fatiga o náuseas que matan no solo las células cancerosas sino también las sanas. Los nanobots podrían usarse para varias terapias, cirugía, diagnóstico e imágenes médicas [14] , como a través de la administración dirigida de medicamentos al cerebro (similar a las nanopartículas ) y otros sitios. [15] [16] [17] La capacidad de programación para combinaciones de características tales como "penetración en el tejido, localización del sitio, capacidad de respuesta a estímulos y carga de carga" hace que estos nanobots sean candidatos prometedores para la " medicina de precisión ". [18]
A nivel clínico, el tratamiento del cáncer con nanomedicina consistiría en suministrar al paciente, mediante una inyección, nanorobots que buscarían las células cancerosas dejando intactas las sanas. De esta forma, los pacientes tratados mediante nanomedicina no notarían la presencia de estas nanomáquinas en su interior; lo único que notarían sería la mejora progresiva de su salud. [ cita requerida ] La nanobiotecnología puede ser útil para la formulación de medicamentos. [ aclaración necesaria ]
Se ha propuesto el uso de "antibióticos de precisión" para utilizar los mecanismos de la bacteriocina para la administración de antibióticos específicos. [19] [20]
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. [21] Algunas se pueden manipular mediante campos magnéticos y, por ejemplo, experimentalmente, se ha logrado de esta manera la liberación de hormonas por control remoto . [22]
Un ejemplo de aplicación avanzada en desarrollo son las nanopartículas de diseño "caballo de Troya" que hacen que las células sanguíneas se coman, desde adentro hacia afuera, porciones de placa aterosclerótica que causan ataques cardíacos [23] [24] [25] y son la causa actual de muerte más común a nivel mundial . [26] [27]
Las células artificiales, como los glóbulos rojos sintéticos, que tienen todas o muchas de las propiedades y capacidades naturales conocidas de las células naturales , podrían usarse para cargar cargas funcionales como hemoglobina , fármacos, nanopartículas magnéticas y biosensores de ATP que pueden permitir funcionalidades no nativas adicionales. [28] [29]
Se ha demostrado que las nanofibras que imitan la matriz que rodea las células y que contienen moléculas diseñadas para moverse son una terapia potencial para las lesiones de la médula espinal en ratones. [30] [31] [32]
Técnicamente, la terapia génica también puede considerarse una forma de nanobiotecnología o una forma de avanzar hacia ella. [33] Un ejemplo de un área de desarrollos relacionados con la edición genómica que es más claramente nanobiotecnología que las terapias génicas más convencionales, es la fabricación sintética de materiales funcionales en los tejidos. Un investigador hizo que los gusanos C. elegans sintetizaran, fabricaran y ensamblaran materiales bioelectrónicos en sus células cerebrales. Permitieron 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 los tratamientos de enfermedades como la esclerosis múltiple en particular, y demuestra la viabilidad de dicha fabricación sintética in vivo. [34] [35] [36] Además, dichas neuronas modificadas genéticamente pueden permitir la conexión de componentes externos, como miembros protésicos, a los nervios. [37]
Los nanosensores basados, por ejemplo, en nanotubos, nanocables, voladizos o microscopía de fuerza atómica podrían aplicarse a dispositivos/sensores de diagnóstico [21].
La nanobiotecnología (a veces denominada nanobiología) en medicina puede describirse mejor como una ayuda para que la medicina moderna progrese desde el tratamiento de síntomas hasta la generación de curas y la regeneración de tejidos biológicos .
Tres pacientes estadounidenses han recibido vejigas cultivadas enteras 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 colocarlo en el cuerpo para producir un bebé . Se han utilizado tratamientos con células madre para corregir enfermedades que se encuentran en el corazón humano y se están realizando ensayos clínicos en los Estados Unidos. También hay fondos para la investigación que permita a las personas tener nuevas extremidades sin tener que recurrir a prótesis. También se podría disponer de proteínas artificiales para fabricarlas sin necesidad de productos químicos agresivos ni máquinas costosas. Incluso se ha conjeturado que para el año 2055, los ordenadores podrían estar hechos de sustancias bioquímicas y sales orgánicas . [38]
Otro ejemplo de la actual investigación nanobiotecnológica son las nanoesferas recubiertas de polímeros fluorescentes. Los investigadores están tratando de diseñar polímeros cuya fluorescencia se extinga cuando se encuentran con moléculas específicas. Diferentes polímeros detectarían diferentes metabolitos. Las esferas recubiertas de polímero podrían convertirse en parte de nuevos ensayos biológicos, y la tecnología podría algún día conducir 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 tamaño 25-200 nm) como lo hace NanoBiotech Pharma. [ cita requerida ]
Las "nanoantenas" hechas de ADN (un nuevo tipo de antena óptica a escala nanométrica) se pueden unir a las proteínas y producir una señal mediante fluorescencia cuando estas realizan sus funciones biológicas, en particular para sus cambios conformacionales distintivos . Esto podría usarse para futuras nanobiotecnologías, como diversos tipos de nanomáquinas, para desarrollar nuevos medicamentos, para la bioinvestigación y para nuevas vías en la bioquímica. [39] [40]
También puede ser útil en energía sostenible : en 2022, los 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 bioenergía sustancialmente más sostenible de su fotosíntesis (biotecnología) que en estudios anteriores. [41] [42] [43] [44] [45]
Aunque la nanobiología está en sus inicios, hay muchos métodos prometedores que pueden depender de la nanobiología en el futuro. Los sistemas biológicos son inherentemente nano en escala; la nanociencia debe fusionarse con la biología para ofrecer biomacromoléculas y máquinas moleculares que sean similares a la naturaleza. Controlar e imitar los dispositivos y procesos que se construyen a partir de moléculas es un tremendo desafío al que se enfrentan las disciplinas convergentes de la nanobiotecnología. [46] Todos los seres vivos, incluidos los humanos , pueden considerarse nanofundidoras . 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". Las 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 usarse 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 el software para todos los seres vivos) puede usarse como un sistema proteómico estructural, un componente lógico para la computación molecular. Ned Seeman, un investigador de la Universidad de Nueva York , junto con otros investigadores, están investigando actualmente conceptos que son similares entre sí. [47]
En términos generales, la bionanotecnología se puede distinguir de la nanobiotecnología en que se refiere a la nanotecnología que hace uso de 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). Hace uso de sistemas o elementos naturales o biomiméticos para estructuras nanométricas únicas y diversas aplicaciones que pueden no estar asociadas direccionalmente con la biología, en lugar de aplicaciones principalmente biológicas. Por el contrario, la nanobiotecnología utiliza biotecnología miniaturizada a tamaño nanométrico o incorpora nanomoléculas en sistemas biológicos. En algunas aplicaciones futuras, ambos campos podrían fusionarse. [48] [49] [50] [ cita(s) adicional(es) necesaria(s) ]
La nanotecnología del ADN es un ejemplo importante de bionanotecnología. [51] La utilización de las propiedades inherentes de los ácidos nucleicos como el ADN para crear materiales o dispositivos útiles, como biosensores [52] , es un área prometedora de investigación moderna.
El almacenamiento de datos digitales de ADN se refiere principalmente al uso de cadenas de ADN sintetizadas pero por lo demás convencionales para almacenar datos digitales, lo que podría ser útil, por ejemplo, para el almacenamiento de datos a largo plazo de alta densidad [53] a los que no se accede ni se escribe con frecuencia como alternativa al almacenamiento de datos ópticos 5D o para su uso en combinación con otra nanobiotecnología.
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 nuevo enfoque para la producción a gran escala de nanomateriales programables. Un ejemplo es el desarrollo de amiloides que se encuentran en biopelículas bacterianas como nanomateriales diseñados que pueden programarse genéticamente para tener diferentes propiedades. [54]
La nanotecnología de lípidos es otra área importante de investigación en bionanotecnología, donde las propiedades físico-químicas de los lípidos, como su capacidad antiincrustante y de autoensamblaje, se explotan para construir nanodispositivos con aplicaciones en medicina e ingeniería. [55] Los enfoques de nanotecnología de lípidos también se pueden utilizar para desarrollar métodos de emulsión de próxima generación para maximizar tanto la absorción de nutrientes liposolubles como la capacidad de incorporarlos en bebidas populares. [56]
Los " memristores " fabricados a partir de nanocables proteicos de la bacteria Geobacter sulfurreducens que funcionan a voltajes sustancialmente más bajos que los descritos anteriormente pueden permitir la construcción de neuronas artificiales que funcionan a voltajes de potenciales de acción biológicos . Los nanocables tienen una serie de ventajas sobre los nanocables de silicio y los memristores pueden usarse para procesar directamente señales de biodetección , para computación neuromórfica (ver también: computadora wetware ) y/o comunicación directa con neuronas biológicas . [57] [58] [59]
Los estudios sobre el plegamiento de proteínas ofrecen una tercera vía importante de investigación, pero que se ha visto en gran medida inhibida por nuestra incapacidad para predecir el plegamiento de proteínas con un grado de precisión suficientemente alto. Sin embargo, dada la gran cantidad de usos que los sistemas biológicos tienen para las proteínas, la investigación para comprender el plegamiento de proteínas es de gran importancia y podría resultar fructífera para la bionanotecnología en el futuro. [ cita requerida ]
En la industria agrícola, las nanopartículas diseñadas han servido como nanotransportadores que contienen herbicidas, productos químicos o genes que se dirigen a partes específicas de la planta para liberar su contenido. [60] [61]
Anteriormente se ha informado que las nanocápsulas que contienen herbicidas penetran eficazmente a través de las cutículas y los tejidos, lo que permite la liberación lenta y constante de las sustancias activas. Asimismo, otra literatura describe que la liberación lenta de fertilizantes nanoencapsulados también se ha convertido en una tendencia para ahorrar el consumo de fertilizantes y minimizar la contaminación ambiental a través de la agricultura de precisión . Estos son solo algunos ejemplos de numerosos trabajos de investigación que podrían abrir oportunidades interesantes para la aplicación de la nanobiotecnología en la agricultura. Además, la aplicación de este tipo de nanopartículas diseñadas a las plantas debe considerarse el nivel de amabilidad antes de su empleo en prácticas agrícolas. Con base en una revisión exhaustiva de la literatura, se entendió que solo hay información auténtica limitada disponible para explicar la consecuencia biológica de las nanopartículas diseñadas en las plantas tratadas. Ciertos informes subrayan la fitotoxicidad de varios orígenes de las nanopartículas diseñadas para la planta causada por el tema de las concentraciones y tamaños. Al mismo tiempo, sin embargo, se informó un número igual de estudios con un resultado positivo de las nanopartículas, que facilitan la naturaleza promotora del crecimiento para tratar las plantas. [62] 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 toxicidad o ninguna toxicidad. [63] [64] Las hojas de espárrago tratadas con nanopartículas de plata (AgNP) mostraron un mayor contenido de ascorbato y clorofila. De manera similar, el frijol común y el maíz tratados con AgNP aumentaron la longitud de los brotes y las raíces, la superficie de las hojas y los contenidos de clorofila, carbohidratos y proteínas informados anteriormente. [65] La nanopartícula de oro se ha utilizado para inducir el crecimiento y el rendimiento de las semillas en Brassica juncea. [66]
La nanobiotecnología se utiliza en cultivos de tejidos . [67] La administración de micronutrientes a nivel de átomos y moléculas individuales permite la estimulación de varias etapas de desarrollo, inicio de la división celular y diferenciación en la producción de material vegetal, que debe ser cualitativamente uniforme y genéticamente homogéneo. El uso de nanopartículas de compuestos de zinc (ZnO NPs) y plata (Ag NPs) da muy buenos resultados en la micropropagación de crisantemos utilizando el método de fragmentos de brotes de un solo nudo. [67]
Este campo se basa en una variedad de métodos de investigación, incluidas 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 de abajo hacia arriba , supercomputación ).
A partir de 2009, los riesgos de las nanobiotecnologías son poco comprendidos y en los EE. UU. no existe un consenso nacional sólido sobre qué tipo de principios de política regulatoria se deben seguir. [33] Por ejemplo, las nanobiotecnologías pueden tener efectos difíciles de controlar sobre el medio ambiente o los ecosistemas y la salud humana. Las nanopartículas basadas en metales utilizadas para perspectivas biomédicas son extremadamente atractivas en varias aplicaciones debido a sus características fisicoquímicas distintivas, que les permiten influir en los procesos celulares a nivel biológico. El hecho de que las nanopartículas basadas en 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 organismos vivos. De hecho, la alta toxicidad de algunos metales de transición puede hacer que sea difícil utilizar nanopartículas de óxido mixto en usos biomédicos. Provoca efectos adversos sobre los organismos, causando estrés oxidativo, estimulando la formación de ROS, perturbación mitocondrial y modulación de funciones celulares, con resultados fatales en algunos casos. [68]
Bonin señala que “la nanotecnología no es una entidad homogénea, específica y determinada, sino un conjunto de diversas capacidades y aplicaciones” y que la investigación y el desarrollo en nanobiotecnología se ve –como uno de muchos campos– afectado por problemas de doble uso . [69]