Nanoquímica y arquitectura molecular: reflexiones sobre su impacto

NANOQUÍMICA Y ARQUITECTURA MOLECULAR: SUS APLICACIONES
Dr. Amado Enrique Navarro Frómeta 1, Dr. Roberto Cao Vázquez 2
1
Universidad Tecnológica de Izúcar de Matamoros, Prolongación Reforma 168, Barrio Santiago
Mihuacán, Izúcar de Matamoros, Puebla, navarro48_99@yahoo.com, 2 Laboratorio de
Bioinorgánica, Facultad de Química, Universidad de La Habana, Zapata y G, Vedado, La Habana
10400; e-mail: cao@fq.uh.cu
A modo de prólogo
La idea de presentar algunas reflexiones sobre la nanoquímica y la arquitectura molecular surge
en octubre del 2006 en medio del XXVII Congreso Latinoamericano de Química, que tuvo lugar
en la Ciudad de La Habana, Cuba. Varias Conferencias Magistrales y una Sección de Trabajo
del Congreso pusieron de relieve la importancia de las investigaciones que se desarrollan en el
mundo en este campo y que tienen un impacto presente y potencial muy grandes en dos de las
áreas que constituyen el objeto de estudio de dos de nuestras carreras que tienen una
importancia estratégica para nuestro país y que se relacionan con la Agrobiotecnología y la
Tecnología de Alimentos. Algunos aspectos que se tratan, fueron expuestos en una
Conferencia impartida por los autores de este trabajo y que contó con la presencia de alumnos
de ambas carreras. Por su importancia, decidimos presentarlas en nuestra revista para que
cualquier miembro de nuestra comunidad universitaria pueda tener acceso al tema.
Introducción
La naturaleza nos ofrece innumerables ejemplos de cómo el micromundo (en última instancia la
estructura y propiedades de los átomos, moléculas, agregados atómicos y agregados
moleculares), determinan las manifestaciones de la materia en el macromundo. Así por ejemplo,
la capacidad del tiburón martillo para detectar los impulsos eléctricos que se generan en
cualquier movimiento muscular de sus presas (por ejemplo los latidos del corazón), le permite
encontrar su alimento aunque esté enterrado en la arena. Esto es posible por la presencia de
diminutos sensores en su cabeza que, en su capacidad de detección, equivalen a detectar una
señal de un voltio a 1600 km de distancia. La mariposa brasileña Cynophrys remus presenta
dos coloraciones diferentes en su parte dorsal y ventral (figura 1): un color azul metálico y un
verde mate. Estos colores no se deben a la presencia de pigmentos sino a la dispersión de la
luz en la superficie de las escamas de las alas de la mariposa. Científicos húngaros [1],
encontraron que esto está relacionado con el grado de orden y desorden de la geometría de las
escamas de la superficie de las alas de la mariposa, diferente en la parte ventral y dorsal. La
dorsal está conformada por escamas que poseen un solo monocristal fotónico que cubre la
superficie de cada escama mientras que en la parte ventral en cada una hay muchos pequeños
cristales fotónicos, con unas pocas orientaciones. De esta manera la dispersión de la luz por
estos cristales ocurre de tal manera que en la parte dorsal se observa una coloración azul con
reflejos metálicos y en la parte ventral hay diferentes colores dispersados, que en su
combinación dan el verde mate. Esto sugiere que en materiales transparentes uno pudiera
alcanzar efectos similares sin la necesidad de emplear pigmentos y alcanzar una coloración
determinada reemplazando los pigmentos con estructuras desordenadas, cosa que sería muy
útil para la coloración de plásticos, metales y materiales fibrosos como los textiles y el papel.
Otro ejemplo, al cual se presta gran atención en la actualidad, lo tenemos en las
biomacromoléculas como las proteinas, que son sintetizadas en los seres vivos una parte a la
vez, con distribuciones exactas de los monómeros (los aminoácidos), en las cadenas de
polipéptidos. Entre los aspectos bioquímicos relevantes de estos procesos y de la organización
molecular resultante se incluyen interacciones no covalentes (supramoleculares), plantillas
moleculares y reconocimento a nivel de la molécula individual. En contraste, muchos procesos
sintéticos industriales se llevan a cabo en solventes orgánicos, mezclando grandes cantidades
de reactivos. No es de extrañar entonces que el hombre en su afán de hacer cada vez
dispositivos y productos más eficaces, trate de imitar lo que se encuentra en la naturaleza y se
halla aventurado a “comprender y controlar la materia a dimensiones que se encuentran en el
rango de 1 a 100 nanómetros, donde fenómenos únicos para esa dimensión permiten nuevas
aplicaciones”, lo que constituye, según la Iniciativa Nacional en Nanotecnología de la Fundación
Nacional de la Ciencia de los EE.UU., la definición de Nanotecnología. En el momento en que
las fronteras entre la Física, la Química, la Biología y la Bioquímica comienzan a desvanecerse
y entran en este manejo de la materia al nivel nanométrico, la computación, la electrónica y
otras disciplinas de la Ingeniería, estamos entrando al fascinante mundo de la nanotecnología,
llámese nanoquímica, nanobiotecnología o como se quiera y al desarrollo de ingeniosas
estrategias para crear moléculas grandes con propiedades complejas y exactamente
especificadas, llegando a crear moléculas que hacen cosas. Muchos consideran que esta es la
Química de frontera del siglo XXI, considerando otros autores que esta Química de nuestro
siglo bien pudiera denominarse Ingeniería Molecular y si las asociaciones entre moléculas se
realizan sobre superficies sólidas entonces más bien estamos ante procesos de Arquitectura
Molecular, un término ya usado para caracterizar configuraciones de proteínas [2-5].
A
B
Figura 1. Coloración dorsal (A) y ventral (B) de Cynophrys remus
¿Qué es la nanotecnología?
El prefijo “nano” proviene del latín “nanus” de significado “enano”. En ciencia y tecnología “nano”
quiere decir 10-9, es decir, una milmillonésima parte (0,000000001). Un nanómetro (nm) es, por
tanto, la milmillonésima parte de un metro. Como referencia téngase en cuenta que el diámetro
del ADN es de 2 – 12 nm, el de un eritrocito 2 500 nm y un cabello humano tiene de 60 000 a
120 000 nm de grosor.
Ya en 1959 Richar P. Feynman (Premio Nóbel de Física) señaló las posibilidades tecnológicas
que se abren al trabajar con materiales, dispositivos, etc. a esta escala. En 1971 el término
Nanotecnología fué utilizado por primera vez por Norio Taniguchi, refiriéndose a la técnica
aplicada en la maquinaria de ultra-precisión. No obstante, la invención del microscopio de efecto
túnel en 1981 por Binnig y Rohrer, o sea de una herramienta propia de esta dimensión, es la
que posibilita el nacimiento de esta ciencia. Los avances en nanotecnología están muy
relacionados con las herramientas para observar y manipular la materia a este nivel. Por
razones obvias de espacio, en este trabajo no se abordan estas técnicas.
No obstante, resulta interesante el siguiente ejemplo (figura 2), en la cual se muestra como
“pinzas ópticas” (se fijan pequeñas esferas de sílica a lados opuestos de la célula y mediante el
enfoque de rayos laser a las mismas se puede manipular la misma), estiran glóbulos rojos
sanos y afectados por malaria, siendo claro el diferente comportamiento, donde la célula
afectada por malaria presenta mayor resistencia a la elongación [6].
Figura 2
Figura 3. El arcoiris de los quantun dots de Cd Se.
A esta escala las propiedades observadas de los materiales no resultan explicables en términos
de la Física y la Química a escala macromolecular, siendo necesario recurrir a la Mecánica
Cuántica para poder entender su comportamiento. Es clave para entender el poder y potencial
de las nanotecnologías, que por debajo de los 100 nm las propiedades de los materiales
pueden cambiar dramáticamente, siendo estos los llamados efectos cuánticos. Con sólo una
reducción en tamaño, sin cambios en las sustancias componentes, los materiales pueden
mostrar nuevas propiedades como la conductividad eléctrica, elasticidad, mayor resistencia,
diferente color y mayor reactividad, con valores diferentes o drásticamente distintos a las que
esos mismos materiales muestran a escala micro o macro. En las páginas de la USEPA
(Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos), hay material muy ilustrativo al
respecto [7].
En la figura 3 se muestra el efecto impactante en el color de emisión de los “quantum dots” (QD)
o nanocristales semiconductores, en este caso de CdSe [8], que practicamente abarca los
colores del arcoiris, en dependencia de su tamaño (de menor a mayor corresponde del azul al
rojo). Ilustrando la importancia de esto, por ejemplo en la medicina, la inyección de QD puede
permitir ver el sistema linfático de especímenes vivos. Los QD son fluorescentes y con
determinados colores como vimos. Por su pequeño tamaño pueden penetrar en los distintos
sistemas de los seres vivos. En la figura 4 se observan claramente los puntos de concentración
de los QD en el sistema linfático de un ratón. Esto puede tener aplicación en la detección de
células y tejidos con problemas [9].
Como otros ejemplos ilustrativos podemos citar que el óxido de zinc es usualmente blanco y
opaco, a nanoescala se vuelve transparente. El alumino, el material de los botes de bebidas,
puede sufrir combustión espontánea a nanoescala y se puede utilizar como combustible de
cohetes.
¿Qué posibilidades en distintos campos nos brindan estas tecnologías? Sólo nos detendremos
en un ejemplo más, que ilustra que las fronteras entre distintas disciplinas se desvanecen
trabajando a esta escala. En la figura 5 se muestra una neurona de anguila insertada sobre un
chip de 128 x 128 transistores. La actividad eléctrica de la neurona es registrada por el chip. Se
está trabajando en la conexión eléctrica entre células vivas, especialmente neuronas y chips de
semiconductores. Los procesos celulares se acoplan con los dispositivos microelectrónicos a
través del contacto directo entre las membranas de las células y los chips. Las investigaciones
se dirigen hacia: 1) Estudiar la estructura y la dinámica de la interfase célula-semiconductor; 2)
Construir dispositivos híbridos neuroelectrónicos. Estas investigaciones exploran la interfase
entre la electrónica en sólidos inorgánicos y la iónica de las células vivas. Aplicaciones:
biosensores, investigación de la actividad cerebral y neurocomputación [10].
Figura 4. Acumulación de QD en el
sistemalinfático de un ratón.
Figura 5. Neurona de anguila en un
microchip
En la tabla 1 se ilustran algunas propiedades que dependen del tamaño y las aplicaciones que
se han generado. El tamaño en que estas propiedades cambian o se manifiestan depende de
cada material.
La importancia de la nanotecnología y, dentro de ella de la nanoquímica, radica en que se
considera que tendrá un amplio impacto en todos los sectores productivos como una tecnología
clave. Se espera especial desarrollo entre otros en: la medicina, la construcción, la metalurgia,
la industria textil, las tecnologías de la información, la producción y el almacenamiento de
energía, la ciencia de los materiales, la alimentación y el medio ambiente, la industria de la
cerámica y el vidrio, la seguridad y muchos más. Se plantea que la nanotecnología tiene el
potencial para hacer más eficiente el consumo de energía, ayudar a limpiar el ambiente y
resolver muchos problemas de la salud. Los que abogan por ella plantean que puede
incrementar masivamente la producción y abatir costos, con productos de menor tamaño y más
ligeros pero más funcionales, más baratos, con menores requerimientos energéticos y de
materias primas. Como todo conocimiento, sus primeros desarrollos se dan en la esfera de la
investigación y sólo cuando la innovación se hace presente se llega a la esfera de la aplicación
práctica. Aún hay mucho camino que recorrer, gran parte de las aplicaciones se concentran aún
en la Universidad y el campo de la Ciencia, existiendo algunas compañías grandes que
concentran los desarrollos tecnológicos (figura 6). Esto implica que a las PyMEs hay que
ayudarlas con nuevas herramientas que les permitan no perder posicionamiento y
oportunidades frente a las grandes empresas. En el mercado existen actualmente varios
centenares de estos productos con diversas aplicaciones, entre las cuales se encuentran
productos médicos, composites, componentes electrónicos, pinturas resistentes al rallado,
equipos deportivos telas antiarrugas y cosméticos. Si en el año 2000 el mercado de este tipo de
productos se valoró en 12 000 millones de euros se estima que ascenderá a cientos de miles en
el 2010 y a un billón después de esa fecha [11-16].
Para los países en desarrollo la nanotecnología crea nuevas expectativas. Brasil, India, Chile,
Filipinas, Corea del Sur, Africa del Sur, Tailandia, entre otros desarrollan programas de
Gobierno con apoyo económico y han creado Institutos de investigación con este fin. Otros
países entre ellos Argentina y México, aunque tienen grupos de investigación dedicados a esto,
no tienen aún fondos organizados gubernamentalmente [17,18]. Cuba centra sus esfuerzos en
aplicaciones dirigidas al campo de la salud, logrando avances notables.
Tabla 1. Propiedades y aplicaciones de los nanomateriales.
Aplicación
Recubrimientos antireflectantes.
Ópticas
Indice de refracción de superficies hecho a la medida.
Sensores de luz para diagnóstico del cáncer.
Filtros solares inorgánicos claros y efectivos.
Dispositivos de almacenamiento con densidad incrementada.
Magnéticas
Partículas nanomagnéticas que mejoran la resolución de
imágenes de Resonancia Magnética.
Mejoramiento de la transferencia de calor de colectores solares
Térmicas
a tanques de almacenamiento.
Incremento de la eficiencia de refrigerantes en
transformadores.
Incremento de la resistencia al desgaste.
Mecánicas
Nuevas propiedades anticorrosivas.
Nuevos materiales estructurales y composites más ligeros y
resistentes.
Componentes más efectivos y de menor tamaño, por ejemplo
Electrónicas
capacitores para dispositivos pequeños como celulares.
Pantallas más baratas, grandes, brillantes y eficientes.
Materiales superconductores.
Baterías de alta densidad de energía más duraderas.
Almacenamiento de hidrógeno utilizando nanoclústers
Energéticas
metálicos.
Electrocatalizadores para celdas de combustible de alta
eficiencia.
Celdas solares de muy alta eficiencia.
Catalizadores que mejoran la eficiencia de máquinas de
combustión.
Recubrimientos antibacteriales en vendajes.
Biológicas
Sensores para la detección de enfermedades.
Sistemas para el suministro de medicamentos programados.
Alimentos y bebidas “interactivos que cambian de color, sabor
o nutrientes, dependiendo de la calidad o estado del alimento.
Remediación de suelos.
Relacionadas Polímeros biodegradables.
con
el Estimuladores de la germinación.
ambiente
Tratamiento de emisiones industriales.
Sistemas más eficientes para el filtrado del agua.
Sensores para la detección de contaminantes en pequeñas
concentraciones.
Disponibilidad de amplios rangos de disolución de materiales.
Superficiales
Mejoramiento de la actividad de catalizadores.
Recubrimientos para vidrios autolimpiantes.
Propiedades
Figura 6. Investigación, Universidad y Empresa en su relación con los nanomateriales.
Adaptado de [11].
La arquitectura molecular.
Para el diseño y construcción de nanomateriales se pueden seguir dos enfoques: de arriba
hacia abajo, partiendo de estructuras grandes usando dispositivos de molida ultrafinos, lasers,
vaporización seguida de enfriamiento, etc. Para la formación de nanopartículas con estructuras
complejas se prefiere utilizar el enfoque de abajo hacia arriba, partiendo de moléculas que se
ensamblan o autoensamblan para formar las estructuras deseadas. Para esto se utilizan
procedimientos ingeniosos que se ilustran brevemente con algunos ejemplos.
La inmovilización de enzimas en la superficie de electrodos presenta interés para diversas
aplicaciones, por ejemplo, en biosensores. En [19] se refiere la inmovilización de citocromo C en
la superficie de electrodos de Ag utilizando interacciones “host-guest” entre moléculas de
adamantano localizadas en la superficie de la proteína y unidades de ciclodextrina tiolada
quemisorbidas. El citocromo C ante el campo electrico de los electrodos se denaturaliza y no
hay señal pero se pueden estabilizar al quedar anclado al electrodo, sin tocarlo, y se ve la señal
Fe(II)/Fe(III) (figura 7).
En [20] se reporta un nanoensamble supramolecular que contiene catalasa, Cu, Zn-superóxido
dismutasa. La catalasa fue hidrofóbicamente modificada con ácido 1-adamantanocarboxílico e
inmovilizada sobre esferas de oro cubiertas con ciclodextrina mediante asociaciones
supramoleculares. El catalizador bioenzimático
fue preparado ulteriormente por
coinmovilización de la superóxido dismutasa modificada con ciclodextrina. La catalasa y la
superóxido dismutasa inmovilizadas conservaron un 73 y un 35% respectivamente de su
actividad específica inicial (figura 8).
Figura 7. Asociación de citocromo c modificado con adamantano a un electrodo
Figura 8. Nanodispositivo antioxidante bienzimático
Algunas de las aplicaciones de la Arquitectura Molecular con interés científico y comercial se
ilustran a continuación.
Los fullerenos y los nanotubos de carbono.
Los nanotubos de carbono fueron descubiertos en 1991 por S. Iijima. Este descubrimiento fue
uno de los más importantes subproductos de la investigación de fullerenos, un área que en
1996 llevó al descubrimiento del Buckminsterfullereno o "Buckyball" que es una esfera de 60
átomos de carbono (figura 9). Los fullerenos, como el carbono 60 son moléculas constituidas
por átomos de carbono interconectados que forman una estructura cerrada. Los nanotubos de
carbono (figura 9) son materiales prometedores para usos que van desde materiales reforzados
o "nanocomposites", componentes nanoelectrónicos, nanosensores o sondas de nanoescala tal
como las puntas usadas en microscopía de fuerza atómica. Los nanotubos tienen propiedades
mecánicas muy notables, con una dureza y resistencia extraordinariamente alta. La
funcionalización de los nanotubos de carbono promete nuevas aplicaciones. Por ejemplo bajo
ciertas condiciones la hidrólisis parcial de una proteína de la leche por una proteasa del Bacillus
licheniformis, conduce al autoensamblado de nanotubos de varios micrometros de largo (figura
10). Una aplicación potencial de estos nanotubos puede ser la liberación controlada de
medicamentos y por supuesto por ser una proteína láctea tiene la potencialidad de encontrar
apliación en la tecnología de alimentos. Los fullerenos pueden ser funcionalizados para
numerosas aplicaciones. [4, 21 – 25].
A
B
C
Figura 9. A – Fullereno; B – nanotubo de una pared; C – nanotubo de dos paredes.
Figura 10. Nanotubos a partir de α – lactalbúmina.
Los nanocristales o "quantum dots".
Tienen muchos usos y se pueden funcionalizar de muchas maneras y ya se encuentran en
etapa comercial. En la figura 11 se ilustra la funcionalización de un naocristal para la dfetección
y tratamiento del cáncer. Se conjugan varios ligandos (peptidos, anticuerpos, droga inhibidora,
etc), biomarcadores específicos para la célula tumoral [26].
Los dendrímeros.
Lo que diferencia a los dendrímeros de otros polímeros es su nanoestructura precisa. Los
dendrímeros se forman nanómetro a nanómetro, de tal forma que el número de pasos sintéticos
condiciona su tamaño exacto. Sus superficies se pueden diseñar para que formen un denso
campo de grupos moleculares que sirvan de anzuelos para agregar otras moléculas útiles y
pueden también portar equipaje molecular interno. Estas propiedades hacen de los dendrímeros
excelentes medios de transporte para introducir ADN dentro de las células. Los científicos
llenan la molécula dendrímera con ADN aplastado contra la superficie del polímero. A
continuación, los conglomerados de ADN y dendrímero se inyectan en el tejido. Cuando los
dendrímeros tienen el tamaño adecuado desencadenan un proceso llamado endocitosis, en el
que la célula se deforma para dejar que penetre el nuevo conglomerado. Una vez dentro, se
libera el ADN, que migra hacia el núcleo, donde se convierte en parte del genoma de la célula.
Los complejos de nanopartículas pueden ser dirigidos específicamente a células cancerígenas y
son lo bastante pequeños para entrar en una célula enferma, ya sea matándola desde el interior
o emitiendo una señal para identificarla. Se puede construir un solo dendrímero que lleve
muchos diferentes tipos de moléculas como agentes de contraste y fármacos, pero el proceso
de síntesis es largo y difícil, requiriendo meses para añadir cada nueva molécula en pasos
secuenciales, y el rendimiento de partículas útiles desciende con cada paso sucesivo de
síntesis.
Figura 11
CPA –cubierta de polímero amfifílico, LA – ligandos
con distintas afinidades.
Figura 12
Una solución interesante fue la construcción de grupos de nanopartículas usando dos
dendrímeros funcionales y diferentes, uno diseñado para la generación de imágenes y el otro
para dirigirse a células cancerígenas. Cada uno de los dendrímeros llevaba una sola hebra de
ADN no codificado. En una solución de dos diferentes tipos de dendrímeros simples, estas
porciones de ADN, típicamente de 34-66 bases de largo, encontraron secuencias
complementarias en otros dendrímeros formando dos dendrímeros complejos en forma de
pesas con folato en un extremo y sustancia fluorescente en el otro. Los receptores del folato
están sobre-expresados en la superficie de células cancerígenas, con lo que estos dendrímeros
se enlazarían a las células enfermas. El otro extremo del complejo lleva una proteína
fluorescente a fin de que los investigadores puedan rastrear su movimiento (figura 12)[27].
Los liposomas.
La formación de cápsulas a escala nanométrica (liposomas – vesículas formadas por lípidos
amfifílicos que rodean a un núcleo acuoso ), se pueden utilizar para encapsular sustancias,
como por ejemplo agentes humectantes para su utilización en cosmética y suministro directo de
drogas. En la figura 13 se muestra un encapsulado de ácido 1-naftalen-acético (agroquímico
NAA) en cápsula de quitosana. Esta cápsula es biodegradable.
Figura 13
Figura 14.
Capas nanoporosas.
Se pueden crear membranas de nanocomposite con poros de 0.3 a 1 nm, en un polimero se
mezclan particulas nanoporosas que forman capas que no estan unidas por enlaces covalente,
por lo tanto la membrana compuesta tiene gran flexibilidad. Las moleculas chicas pasan por los
poros de las nanoparticulas y difunden facilmente, las moleculas grandes debern hacer un
recorrido mas tortuoso y por lo tanto difunden mas lentamente (figura 14) [28].
Se requiere una baja concentracion de particulas nanoporosas. Algunos ejemplos de particulas
son zeolitas, con geometria en forma de láminas delgadas. Otro material son membranas de
Aluminio fosforo Oxigeno (AlPO), con moleculas de surfactante entre las laminas. Otro material
es el denominado AMH-3 que es tridimensional y tiene nanocanales en 3 dimensiones. Este
último material puede ajustarse en su permeabilidad y selectividad mediante intercambio ionico
o sustitucion de atomos. Estos materiales tienen aplicaciones en separacion de gases por
ejemplo. Estos nanocomposites tienen mas selectividad y permeabilidad que el polimero virgen.
Sus propiedades mecanicas son mejores que los tamices moleculares, se pueden moldear y ser
flexibles.
La nanoquímica, la Agroindustria y la Ciencia y Tecnología de los Alimentos.
En el aspecto investigativo se trabaja en:
• Nano-compuestos en el área de envasado de alimentos. Por ejemplo, un nuevo tipo de goma
espuma para el envasado de platos preparados con mejores propiedades térmicas y
biodegradable.
• Nano-tubos y membranas. Estos materiales serán importantes en el diseño de sensores en
empresas agroalimentarias.
• Vehículos de transmisión. Nano-partículas y nano-esferas permiten una mejor encapsulación
y una emisión más eficiente que la de la encapsulación tradicional. Su efectividad es tal que
incluso se podrían utilizar para tratamiento de alergias alimentarias.
• Nano-herramientas para bioseguridad. Pueden permitir el desarrollo de biosensores que
permitan detectar agentes biológicos como Ántrax o tuberculosis en la cadena alimentaria de
una forma fiable y eficaz.
• Caracterización y manipulación de biomoleculas. Desarrollo de métodos que permitan la
caracterización de materiales y polímeros moleculares en nano escalas.
• Nanocápsulas con fármacos, insecticidas, fungicidas, plaguicidas, herbicidas y fertilizantes
que se liberan de forma controlada, por ejemplo, en el contacto con el estómago de ciertos
•
•
•
•
insectos. Esto permitirá que el uso de productos químicos agrícolas sea menos tóxico para el
medio ambiente.
Inyección de ADN en millones de células al mismo tiempo. Millones de nanofibras de
carbono crecen emergiendo de un chip de silicona que tienen unidos fragmentos de ADN
sintético. Las células vivas son entonces lanzadas contra el chip y se insertan en las
nanofibras, recibiendo la inyección del ADN.
Desarrollo de una nanopartícula que se una a moléculas que están presentes en la superficie
del Campilobacter, presente en la carne de pollo, pavo, etc., y que ocasiona diarrea y otras
enfermedades a los humanos. Con este marcador, sería posible detectar y remover a la
bacteria antes de que la carne de ave llegue al consumidor.
Desarrollo de nanosensores para detectar a tiempo patógenos en animales y plantas.
Suministro de hormonas de crecimiento en forma controlada mediante las técnicas de
encapsulamiento.
Algunos de los desarrollos tecnológicos son:
La comida nutracéutica, que utilizará proteínas para administrar medicamentos y vitaminas a
determinadas áreas del cuerpo y paquetes de alimentos que cambian de color cuando la
comida que contienen no reune ya la calidad necesaria, o en empaque de frutas pueden indicar
que alguna ya está madura, alertando a los fabricantes durante el proceso de fabricación y, en
última instancia, al consumidor final. La multinacional de alimentos y bebidas Kraft Foods ha
creado el primer laboratorio de alimentos nanotecnológicos de la industria. A través de su
Consorcio Nanotek, formado por 15 universidades y centros de investigación, está
desarrollando productos alimenticios personalizados que reconocen el perfil nutricional y de
salud de un individuo (osteoporosis, colesterol, alergias, deficiencias vitamínicas…) y, en
función a estos datos, liberan las moléculas apropiadas y retienen otras. Además, está
explorando la posibilidad de fabricar bebidas interactivas que cambian de color y sabor a gusto
del consumidor. También exploran el encapsulamiento de alimentos para enmascarar el sabor
de alimentos amargos, proteger durante el procesamiento a nutrientes frágiles como la vitamina
C o añadir características deseables a los alimentos tradicionales. Por ejemplo Salvona
Technologies ha desarrollado un sistema de suministro multicomponente, MultiSal™, que
suministra ingredientes activos que normalmente no se mezclan bien como ingredientes hidro- y
liposolubles, liberándolos consecutivamente. El sistema consiste en nanoesferas sólidas
hidrofóbicas, compuestas por una mezcla de componentes hidrofóbicos aprobados para los
alimentos, encapsulados en microesferas sensibles a la humedad o al pH. Cuando la
microesfera encuentra al agua (o a un pH determinado), como la saliva se disuelve liberando las
nanoesferas y otros ingredientes (figura 15). Estas técnicas están detrás de alimentos
enriquecidos ya existentes en el mercado como las barras nutritivas Oh! Mama, que aportan las
cantidades diarias necesarias en hierro y ácido docosahexaenoico, fundamental para el
desarrollo neuronal de los infantes. También la empresa Ocean Nutrition, con sede en Nueva
Escocia, las ha empleado en la fabricación de pan de molde con omega-3 procedente de
pescado, que sin embargo no tiene ningún resquicio de olor o sabor a estos animales. Incluso
se han utilizado en nuevos chicles como Jolt para mejorar el sabor y aumentar su duración.
Otros grupos de investigación trabajan en la mejora de texturas de productos lácteos, como el
queso y el helado, y el control de los olores de los alimentos. Códigos de barra duraderos y más
confiables (Nanoplex Technologies – Nanobarcodes). Chip genético de alta eficiencia para
verificar la inocuidad de alimentos para humanos y para animales (bioMerieux – FoodExpert ID).
Nanocompuestos de Ag, para crear barreras que disminuyan la dispersión de las bacterias y
otros patógenos en los refrigeradores (Samsung – Nanosilver seal). Membranas protectoras
para plantas que eviten la acción de patógenos sobre la membrana cuticular de las plantas.
Recubrimiento de la superficie de las plantas con películas que mejoren la calidad del impacto
de las gotas al ser rociadas con agroquímicos. Nanopartículas que se aglutinan alrededor de
bacterias y permiten su remoción o aislamiento [29 – 47].
Una interesante revisión de aplicaciones de la nanotecnología a los alimentos se encuentra en
[12]. Es necesario remarcar la importancia del trabajo [33], que muestra una visión muy clara
del estado de la nanotecnología en la agricultura y la producción de alimentos, así como la base
de datos del Proyecto en Nanotecnologías Emergentes “Analysis of Early Stage Agrifood
Nanotechnology Research and Development”, [48].
Figura 15
Algunas
consideraciones finales.
Como casi todo desarrollo tecnológico en la actualidad, hay aspectos de la nanotecnología y de
los nanomateriales que es necesario manejar con mucha ética y cautela. Baste mencionar que
las nanopartículas son capaces, por sus dimensiones, de penetraren cualquier parte de los
sistemas de los seres humanos, animales y plantas. Algunos de los compuestos que se utilizan,
por ejemplo quantum dots que se utilizan en bloqueadores solares transparentes, pueden tener
efectos adversos en la salud humana. La dispersión de nanopartículas fabricadas por el hombre
en el medio ambiente plantea nuevos riesgos y por último nanomateriales en manos de
terroristas es una cuestión a considerar. Esto ha motivado corrientes encontradas de
pensamiento y acciones alrededor de las nanociencias, existiendo posiciones que van desde la
resistencia a las mismas, a manejarlas sin la debida precaución. Esto ha motivado que los
principales países que las desarrollan estén desarrollando los controles por las Agencias
Gubernamentales para definir, aprobar y regular todo lo referente a la nanotecnología y los
nanomateriales en los diferentes campos de cada una. El lector interesado puede revisar, por
ejemplo las páginas de la USEPA, de la FDA (Food and Drug Administration) y USDA (United
States Deparment of Agriculture), que resultan ilustrativas en este sentido [49 – 51].
Lo que resulta indiscutible es que es preciso desarrollar los valores éticos y morales para que
estos rebasen al desarrollo tecnológico. Un buen punto de partida es el respeto al ser humano,
al entorno y la biodiversidad y anteponer la solidaridad al beneficio económico.
Conclusiones.
Es evidente que tenemos que comenzar el estudio de estos temas y de sus aplicaciones para
no ser “sorprendidos” por los productos que llenarán el mercado en un futuro bien próximo. Si
queremos que México y otros países Iberoamericanos dejen de ser meros receptores de
tecnologías, maquiladores de productos de empresas extranjeras y empiecen a ser
generadores de nuevos productos y tecnologías, es preciso analizar como introducir estos
aspectos en los planes de estudio a diferentes niveles. En muchas Universidades, centros de
enseñanza media y media superior de países desarrollados, e incluso ya se comienza en la
primaria, se enseña lo que es la nanociencia, la nanotecnología y los nanomateriales. En
nuestra Universidad, esto corresponde a los Cuerpos Académicos, considerando la necesidad
de abordarlo multidisciplinariamente y recordando que en la unión está la fuerza.
Referencias
1. Kertész K., Bálint Z., Vértesy Z., Márk G., Lousse V., Vigneron J., Rassart M., Biró L., Gleaming and
dull surface textures from photonic-crystal-type nanostructures in the butterfly Cyanophrys remus,
Phys. Rev. E 74, 021922, 2006.
2. [www.nano.gov/html/facts/whatIsNano.html].
3. G.J.Vancso, H.Schönherr, J.Huskens, D.N.Reinhoudt, Surface Engineering On The Nanometer Scale
With Supramolecular Complex Species, European Cells and Materials Vol. 6. Suppl. 1, page 18, 2003.
4. Harold Kroto, Architecture At Nanoscale Dimensions, Conferencia Plenaria XXVII Congreso
Latinoamericano de Química, La Habana, Cuba, octubre 16 – 20, 2006.
5. Roberto Cao, Arquitectura Molecular, Conferencia Plenaria XXVII Congreso Latinoamericano de
Química, La Habana, Cuba, octubre 16 – 20, 2006.
6. S. Suresh, J. Spatz, J.P. Mills, A. Micoulet, M. Dao, C.T. Lim, M. Beil and T. Seufferlein, Connections
between single-cell biomechanics and human disease states: gastrointestinal cancer and malaria,
Acta Biomaterialia, Volume 1, Issue 1 , January 2005, Pages 15-30.
7. E.C. Teague, EPA Millenium Lecture Series 042505, 04/2005.
8. Rakovich Y., Donegan J., Filonovich S, Gomes M., Talapin D., Rogach A., Eychmüller A., UpConversion Luminescence via a Below-gap State in CdSe/ZnS Quantum Dots, Physica E , 17, 99100, 2003.
9. Ballou B., Lagerholm B. C., Ernst L. A., Bruchez M. P., Waggoner A. S., Noninvasive Imaging of
Quantum Dots in Mice, Bioconjugate Chem.15(1) pp 79 – 86, 2004.
10. Peter Fromherz, En: ”Nanoelectronics and Information Technology”, 781-810, Editor R. Waser, WileyVCH Verlag: Berlin, 2003
11. Sánchez J., Guerrero H., Martín S., Tamayo R., Cosme M., Serrano P., Mazadiego R., La
Nanotecnología en España, Informe elaborado para el Proyecto Nanonat, Specific Support Action
508695 del 6to. Programa Marco, Madrid, 2005.
12. M. Ellin, Nanotechnology: A brief literature review, Food Research Institute Briefings, University of
Wisconsin, june 2006.
13. ETC Group report, A Tiny Primer on Nanoscale Technologies…and “The Little Bang Theory”’, June
2005. http://www.azonano.com/KeyServices.asp?SupplierID=55
14. http://www.evidenttech.com/applications/quantum-dot-applications.php
15. http://www.americanelements.com/Submicron_nano_powders.htm
16. http://www.malvern.co.uk/LabEng/industry/nanotechnology/nanotechnology_home.htm
17. Donald C. Maclurcan, Nanotechnology and Developing Countries. Part 1: What Possibilities?,
AZojono - Journal of Nanotechnology Online, 10.2240/azojono0103, 30/9/2005.
18. Donald C. Maclurcan, Nanotechnology and Developing Countries Part 2: What Realities?, AZojono Journal of Nanotechnology Online, 10.2240/azojono0104, 19/10/2005.
19. Fragoso, A.; Caballero, J.; Almirall, E.; Villalonga, R.; Cao, R.: Immobilization of Adamantane-Modified
Cytochrome c at Electrode Surfaces through Supramolecular Interactions, Langmuir 2002, 18, 50515054.
20. R. Villalonga, R. Cao, A. Fragoso, A. E. Damiao, P. D. Ortiz, J. Caballero: Supramolecular assembly
of _-cyclodextrin-modified gold nanoparticles and Cu, Zn-superoxide dismutase on catalase, J. Mol.
Cat. B: Enzimatic 2005, 35, 79-85.
21. Bryning M. B., Islam M. F., Kikkawa J. M., Yodh A. G., Very Low Conductivity Threshold in Bulk
Isotropic Single-Walled Carbon Nanotube-Epoxy Composites, Advanced materials, 17, 1186-1191
(2005).
22. Banerjee I., Yu L., Matsui H., "Location-Specific Biological Functionalization on Nanotubes:
Attachment of Proteins at the ends of Nanotubes Using Au Nanocrystal masks", NanoLetters,
3,(3):283-287, 2003.
23. Muataz Ali Atieh, Nazlia Girun, Fakhru’l-Razi Ahmadun, Chuah Teong Guan, El-Sadig Mahdi and
Dayang Radia Baik, Multi-Wall Carbon Nanotubes/Natural Rubber Nanocomposite, AZojono - Journal
of Nanotechnology Online, 10.2240/azojono0106, 2005.
24. http://www.newswiretoday.com/Press Release Unique Milk Protein Based Nanotubes Investigated Nanotechnology NewswireToday.htm
25. M. Suárez, New Concepts In 1,3-Dipolar Cycloadditions To Fullerenes, Conferencia Plenaria XXVII
Congreso Latinoamericano de Química, La Habana, Cuba, octubre 16 – 20, 2006.
26. Sandeep Kumar Vashist, Rupinder Tewari, Ram Prakash Bajpai, Lalit Mohan Bharadwaj and Roberto
Raiteri, Review of Quantum Dot Technologies for Cancer Detection and Treatment, Azojono, Journal
of Nanotechnology Online, DOI: 10.2240/azojono0113, September 2006.
27. http://www.solociencia.com/Moléculas ADN.htm
28. http://www.patagon.8m.com/Materiales nanoestructurados.htm
29. Carmen I. Moraru, Chithra P. Panchapakesan, Qingrong Huang, Paul Takhistov, Sean Liu, And Jozef
L. Kokin, Nanotechnology: A New Frontier in Food Science, Food Technology, vol. 57 (12), 24 – 29a,
2003.
30. N. Dunford, Nanotechnology and opportunities for agriculture and food systems, Food and Agricultural
Products Research and Technology Center, Food Technology Fact Sheet, Oklahoma State University.
31. B. Magnuson, G. Burdock, Nanotechnology Nudges into Nutrition, Nutrition Outlook, october 2006.
32. http://www.tecnociencia.es/monograficos/nanotecnologia/nano4.html.
33. Silvia Ribeiro, Nanotecnología: del campo a su estómago: http://www.rel-uita.org/agricultura/
34. Kuzma J (ed.) (2005) The Nanotechnology-Biology Interface: Exploring Models for Oversight. Hubert
H. Humphrey Institute of Public Affairs (University of Minnesota). September 15, 2005. Available at:
http://www.hhh.umn.edu/centers/stpp/nanotechnology.html.
35. Jennifer Kuzma and Peter VerHage,Nanotechnology in agriculture and food production. Anticipated
applications, Woodrow Wilson Center for Scholars, Project on Emerging Technologies, september
2006.
36. http://www.psivida.com/ pSivida launches pSiNutria in the Food Industry.htm
37. http://www.foodproductiondaily-usa.com/ Container uses nanoparticles to extend shelf life.htm
38. http://www.leatherheadfood.com/sensornetwork/ Food Sensor Network for new sensor technology.htm
39. http://www.azonano.com/Interactive Food To Use Nanotechnology To Change Flavour, Nutrients and
Colour.htm
40. L. Chen, G.E. Remondetto, M. Subirade, Food Protein Based materials as nutraceutical delivery
systems, Trends in Food Science and Technology, 17, 272 – 283, 2006.
41. http://www.azonano.com/Nanotechnology and Food Packaging.htm
42. http://www.azonano.com/Nanotechnology in Food and Food Packaging.htm
43. http://www.azonano.com/Measurement of Food and Dairy Emulsions Using Laser Diffraction –
Supplier Data by Malvern.htm
44. A, Shefer, S. Shefer, Applications of Nanotechnology in the Food Industry, FOODTECH International,
http://www.foodtech-international/papers/application-nano.htm
45. http://www.foodproductiondaily/UK nanotechnology research directed at food industry.htm
46. http://www.azonano.com/Food Packaging Using Nanotechnology Methods an Overview of ‘Smart
Packaging’ and ‘Active Packaging’.htm
47. Susan R. Morrissey, Nanotechnology In Food And Agriculture, Database finds diverse themes and
predominantly basic research in federally funded R&D, Chem&Eng. News, Volume 84, Number 16, p.
31, 2006.
48. http://www.nanoproject.org.
49. A. D. Maynard, Nanotechnology: A Research Strategy for Assessing Risk, , Woodrow Wilson Center
for Scholars, Project on Emerging Technologies, july 2006.
50. Regulating the products of Nanotechnology: Does FDA have the tools it need?, Woodrow Wilson
Center for Scholars, Project on Emerging Technologies, october 2006.
51. Nanotechnology: Information Statement, Institute of Food Science and Technology, february 2006.