Nanobiotecnología , bionanotecnología y nanobiología son términos que se refieren a la intersección de la nanotecnología y la biología . [1] Dado que el tema ha surgido hace muy poco tiempo, bionanotecnología y nanobiotecnología sirven como términos generales para diversas tecnologías relacionadas.
Esta disciplina ayuda a indicar la fusión de la investigación biológica con diversos 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 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 ocurre con la nanotecnología y la biotecnología , la bionanotecnología tiene muchos problemas éticos potenciales asociados.
Los objetivos más importantes que se encuentran con frecuencia en la nanobiología implican la aplicación de nanoherramientas a problemas médicos/biológicos relevantes y el perfeccionamiento de estas aplicaciones. El desarrollo de nuevas herramientas, como las nanoláminas de peptoides , con fines médicos y biológicos es otro objetivo primordial de la nanotecnología. Las nuevas nanoherramientas a menudo se fabrican perfeccionando 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 en voladizo y la aplicación de 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 cambiar el estado de oxidación de los metales. [ cita necesaria ] Estos procesos microbianos nos han abierto nuevas oportunidades para explorar aplicaciones novedosas, 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 investigación actual 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 la atención 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 se pueden guiar los objetivos de la nanotecnología estudiando cómo funcionan las "máquinas" biológicas y adaptando 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 nanoescala. Por el contrario, muchas tecnologías médicas nuevas que utilizan nanopartículas como sistemas de administración o como sensores serían ejemplos de nanobiotecnología, ya que implican el uso de la nanotecnología para promover 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 superpuesto de los términos en el lenguaje moderno, es posible que sea necesario evaluar tecnologías individuales para determinar qué término es más apropiado. Como tales, es mejor discutirlos 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 utilizarán para crear nuevas tecnologías. Las propiedades y aplicaciones de los materiales estudiadas en bionanociencia incluyen propiedades mecánicas (p. ej., deformación, adhesión, falla), eléctricas/electrónicas (p. ej., estimulación electromecánica, condensadores , almacenamiento de energía/baterías), ópticas (p. ej., absorción, luminiscencia , fotoquímica ), térmicas (p. ej., termomutabilidad, gestión térmica), biológica (por ejemplo, cómo interactúan las células con los nanomateriales, fallas/defectos moleculares, biodetección, mecanismos biológicos como la mecanosensación ), nanociencia de las enfermedades (por ejemplo, enfermedades genéticas, cáncer, fallos de órganos/tejidos), así como informática biológica (por ejemplo, Computación del ADN ) y agricultura (entrega objetivo 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 sistemas sintéticos y Aplicaciones tecnológicas a través de la nanotecnología.
La nanobiotecnología toma la mayoría de sus fundamentos de la nanotecnología. [ se necesita aclaración ] La mayoría de los dispositivos diseñados para uso nanobiotecnológico se basan directamente en otras nanotecnologías existentes. [ cita necesaria ] 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. Otro ejemplo es la medición en biología utilizando técnicas de guía de ondas, como la interferometría de doble polarización .
Las aplicaciones de la bionanotecnología están muy extendidas. En la medida en que se mantenga la distinción, la nanobiotecnología es mucho más común en el sentido de 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 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 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. [12] [13] Esto supone una nueva forma de tratar y afrontar 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 se podría ofrecer a los pacientes con cáncer una alternativa para tratar dichas enfermedades en lugar de la quimioterapia, [ cita necesaria ] que provoca efectos secundarios como la caída del cabello. , fatiga o náuseas matan no sólo las células cancerosas sino también las sanas. Los nanobots podrían usarse para diversas terapias, cirugía, diagnóstico e imágenes médicas [14] , por ejemplo mediante la administración dirigida de medicamentos al cerebro (similar a las nanopartículas ) y otros sitios. [15] [16] [17] La programabilidad para combinaciones de características como "penetración de tejido, orientación al 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 el suministro de nanorobots al paciente mediante una inyección que buscará células cancerosas dejando intactas las sanas. Los pacientes tratados mediante nanomedicina no notarían la presencia de estas nanomáquinas en su interior; lo único que se notaría es la mejora progresiva de su salud. [ cita necesaria ] La nanobiotecnología puede ser útil para la formulación de medicamentos. [ se necesita aclaración ]
Se han propuesto "antibióticos de precisión" para utilizar mecanismos de bacteriocina para 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 distinguirlos. Se pueden utilizar para el diagnóstico y la administración dirigida de medicamentos , encapsulando medicamentos. [21] Algunos pueden manipularse mediante campos magnéticos y, por ejemplo, de esta manera se ha logrado experimentalmente la liberación de hormonas controlada a distancia . [22]
Un ejemplo de aplicación avanzada en desarrollo son las nanopartículas de diseño tipo "caballo de Troya" que hacen que las células sanguíneas devoren, desde adentro hacia afuera, porciones de la placa aterosclerótica que causan ataques cardíacos [23] [24] [25] y son la causa más común en la actualidad. de muerte a nivel mundial . [26] [27]
Las células artificiales , como los glóbulos rojos sintéticos, que tienen todas o muchas de las amplias 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 podrían permitir la instalación de células no nativas adicionales. funcionalidades. [28] [29]
Se demostró que las nanofibras que imitan la matriz alrededor de las células y contienen moléculas diseñadas para moverse son una terapia potencial para la lesión de la médula espinal en ratones. [30] [31] [32]
Técnicamente, la terapia génica también puede considerarse una forma de nanobiotecnología o un avance hacia ella. [33] Un ejemplo de un área de desarrollo relacionado con la edición del genoma que es más claramente nanobiotecnología que las terapias genéticas más convencionales, es la fabricación sintética de materiales funcionales en 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 de neuronas específicas y la manipulación del comportamiento en animales vivos, lo que podría ser útil en el estudio y tratamiento de enfermedades como la esclerosis múltiple en específico y demuestra la viabilidad de dicha fabricación sintética in vivo. [34] [35] [36] Además, estas neuronas modificadas genéticamente pueden permitir conectar componentes externos, como prótesis, 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 ayudar a la medicina moderna a pasar del tratamiento de los síntomas a la generación de curas y la regeneración de tejidos biológicos .
Tres pacientes estadounidenses han recibido cultivos de vejigas enteras con la ayuda de médicos que utilizan técnicas de nanobiología en su práctica. Además, se ha demostrado en estudios con animales que un útero puede crecer fuera del cuerpo y luego colocarse en el cuerpo para producir un bebé . Los tratamientos con células madre se han utilizado para curar enfermedades que se encuentran en el corazón humano y se encuentran en ensayos clínicos en los Estados Unidos. También se financian investigaciones que permitan a las personas tener nuevas extremidades sin tener que recurrir a prótesis. Las proteínas artificiales también podrían estar disponibles para su fabricación sin necesidad de utilizar productos químicos agresivos ni máquinas costosas. Incluso se ha conjeturado que para el año 2055, las computadoras podrían estar hechas de bioquímicos y sales orgánicas . [38]
Otro ejemplo de investigación nanobiotecnológica actual son las nanoesferas recubiertas con polímeros fluorescentes. Los investigadores buscan diseñar polímeros cuya fluorescencia se apague cuando se encuentran con moléculas específicas. Diferentes polímeros detectarían diferentes metabolitos. Las esferas recubiertas de polímero podrían formar parte de nuevos ensayos biológicos, y la tecnología algún día podría 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 25 a 200 nm de tamaño) como lo realiza NanoBiotech Pharma. [ cita necesaria ]
Las "nanoantenas" hechas de ADN , un nuevo tipo de antena óptica a nanoescala, pueden unirse a proteínas y producir una señal mediante fluorescencia cuando éstas realizan sus funciones biológicas, en particular por sus distintos cambios conformacionales . Esto podría utilizarse para más nanobiotecnología, como varios tipos de nanomáquinas, para desarrollar nuevos fármacos, para la bioinvestigación y para nuevas vías en bioquímica. [39] [40]
También puede ser útil en el ámbito de la energía sostenible : en 2022, los investigadores informaron sobre nanoelectrodos "rascacielos" impresos en 3D (aunque a microescala , los pilares tenían nanocaracterísticas de porosidad debido a las tintas de nanopartículas metálicas impresas ) (nanotecnología) que albergan cianobacterias. para extraer sustancialmente más bioenergía sostenible de su fotosíntesis (biotecnología) que en estudios anteriores. [41] [42] [43] [44] [45]
Si bien la nanobiología está en su infancia, existen muchos métodos prometedores que pueden depender de la nanobiología en el futuro. Los sistemas biológicos son inherentemente de escala nanométrica; La nanociencia debe fusionarse con la biología para producir biomacromoléculas y máquinas moleculares similares a la naturaleza. Controlar e imitar los dispositivos y procesos que se construyen a partir de moléculas es un tremendo desafío que enfrentar para las disciplinas convergentes de la nanobiotecnología. [46] 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 una investigación de Gunther Gross de la Universidad del Norte de Texas . Los nanotubos autoensamblables tienen la capacidad de usarse como sistema estructural. Estarían compuestos junto con las rodopsinas ; lo que facilitaría el proceso de computación óptica y ayudaría con el almacenamiento de materiales biológicos. El ADN (como software de todos los seres vivos) se puede utilizar como sistema proteómico estructural, un componente lógico para la computación molecular. Ned Seeman, investigador de la Universidad de Nueva York , junto con otros investigadores, actualmente están investigando 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 utiliza materiales/componentes biológicos; en principio podría utilizar, o alternativamente 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 nanoescala 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 tamaños nanométricos o incorpora nanomoléculas en sistemas biológicos. En algunas aplicaciones futuras, ambos campos podrían fusionarse. [48] [49] [50] [ se necesitan citas adicionales ]
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 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 [53] al que no se accede ni se escribe con frecuencia como un alternativa al almacenamiento de datos ópticos 5D o para su uso en combinación con otra nanobiotecnología.
Otra área importante de investigación implica 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 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 fisicoquímicas de los lípidos, como su antiincrustante y su 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 húmeda ) y/o comunicación directa con neuronas biológicas . [57] [58] [59]
Los estudios de plegamiento de proteínas proporcionan una tercera vía importante de investigación, pero que ha sido inhibida en gran medida por nuestra incapacidad para predecir el plegamiento de proteínas con un grado de precisión suficientemente alto. Sin embargo, dada la infinidad de usos que los sistemas biológicos tienen para las proteínas, la investigación para comprender el plegamiento de las proteínas es de gran importancia y podría resultar fructífera para la bionanotecnología en el futuro. [ cita necesaria ]
En la industria agrícola, las nanopartículas diseñadas han estado sirviendo como nanoportadores, que contienen herbicidas, productos químicos o genes, que se dirigen a partes particulares de las plantas para liberar su contenido. [60] [61]
Anteriormente se había informado que las nanocápsulas que contienen herbicidas penetraban eficazmente a través de las cutículas y los tejidos, permitiendo 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 mediante la agricultura de precisión . Estos son sólo algunos ejemplos de numerosos trabajos de investigación que podrían abrir interesantes oportunidades para la aplicación de la nanobiotecnología en la agricultura. Además, la aplicación de este tipo de nanopartículas diseñadas a plantas debe considerarse el nivel de amabilidad antes de emplearlas en prácticas agrícolas. Sobre la base de un estudio exhaustivo de la literatura, se entendió que solo hay información auténtica limitada disponible para explicar las consecuencias biológicas de las nanopartículas diseñadas en las plantas tratadas. Ciertos informes subrayan la fitotoxicidad de diversos orígenes de las nanopartículas diseñadas para la planta causada por el tema de concentraciones y tamaños. Al mismo tiempo, sin embargo, se informó de un número igual de estudios con resultados positivos sobre las nanopartículas, que facilitan el crecimiento natural para tratar las plantas. [62] En particular, en comparación con otras nanopartículas, las aplicaciones basadas en nanopartículas de plata y oro obtuvieron resultados beneficiosos en varias especies de plantas con menor o ninguna toxicidad. [63] [64] Las hojas de espárragos tratadas con nanopartículas de plata (AgNP) mostraron un mayor contenido de ascorbato y clorofila. De manera similar, el frijol y el maíz tratados con AgNP aumentaron la longitud de los brotes y las raíces, el área de la superficie de las hojas y el contenido de clorofila, carbohidratos y proteínas, como se informó anteriormente. [65] La nanopartícula de oro se ha utilizado para inducir el crecimiento y el rendimiento de semillas en Brassica juncea. [66]
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 de autoensamblaje (utilizando, por ejemplo, MP- SPR , DPI , métodos de ADN recombinante , etc.), teoría (p. ej., mecánica estadística , nanomecánica, etc.), así como enfoques computacionales ( simulación multiescala ascendente , supercomputación ).
En 2009, los riesgos de las nanobiotecnologías no se conocen bien y en Estados Unidos 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 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 atravesar 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 usos biomédicos. Provoca efectos adversos en los organismos, provocando 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 específica, determinada y homogénea, sino un conjunto de capacidades y aplicaciones diversas" y que la investigación y el desarrollo de la nanobiotecnología, como uno de muchos campos, se ven afectados por problemas de doble uso . [68]