BioInformatica y la Nanotecnologia Carlos Lerma Gimnez Luis

Bio-Informatica y la Nanotecnologia Carlos Lerma Giménez Luis Cañamares Ramos

Índice ¿nanotecnología? Ordenes de magnitud Historia Nanotecnología en nuestros tiempos Tipos Líneas de investigación � Simulación y diseño de nano sistemas � Auto-ensamblado � Ensamblado guiado � Nanolitografía � La nano ciencia en la biotecnología � � � Aplicación de medicamentos Terapias genicas Nanobiosensores / nanochips de ADN Sistemas de análisis nano-totales Bioprocesos a nanoescala orientados hacia la bioreparación medioambiental � Problemas � Ejemplos 3 4 5 6 8 10 11 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 24

¿Qué es la nanotecnología? �La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas, dedicado al control y manipulación de la materia a nivel de átomos y moléculas �"nano" es 10 elevado a -9 o lo que es lo mismo 1 nanómetro = 0, 00001 metros

Orden de magnitud = 3 Nanómetros A esta escala los materiales tienen un comportamiento muy distinto al que tienen los objetos de propiedades más grandes.

Historia de la nanotecnología Todo comenzó en el año 1959 en una conferencia en el Instituto de Tecnología de California. El físico Richard Feynman dedicó su charla al “problema de manipular y controlar las cosas a pequeña escala”. Su charla no tuvo mucho eco, pero en poco haría estremecer el siglo XXI. 20 años mas tarde Kim Eric Drexler planteó una propuesta para desarrollar una tecnología para manipular el orden de los átomos.

Nanotecnología en nuestros tiempos: �Hoy día, este campo científico está orientado a la ciencia molecular que hace posible diseñar microchips capaces de identificar las enfermedades que padeció la familia y a cuáles puede ser propenso, así como el diseño de modernos fármacos. Sin embargo, a pesar de que se avanza continuamente no existen fechas precisas para que todos estos adelantos sean una realidad en la vida cotidiana.

Algunas de las investigaciones más recientes fueron difundidas por un grupo de investigadores estadunidenses se usaron nano partículas de oro para el tratamiento del cáncer. Ahora mismo el principal reto será incorporar la nanotecnología como un nuevo campo multidisciplinario vinculado estrechamente a la sociedad.

Tipos de nanotecnología �Hay dos tipos de Nanotecnologías: A) Top-down: Los mecanismos y las estructuras se miniaturizan a escala nanométrica. Este tipo de Nanotecnología ha sido el más frecuente hasta la fecha en la electrónica donde predomina la miniaturización. B) Bottom-Up: Se comienza con una estructura nanométrica como una molécula y mediante un proceso de montaje o auto ensamblado, se crea un mecanismo mayor. A este enfoque, se considera como el único y "verdadero" enfoque nano tecnológico.

El último paso para la Nanotecnología es el auto montaje que se denomina "Nanotecnología molecular" o "fabricación molecular", y ha sido desarrollada por el investigador K. Eric Drexler. Se prevé que las fábricas moleculares reales sean capaces de crear cualquier material mediante procesos de montaje exponencial de átomos y moléculas, controlados con precisión.

Líneas de investigación �En la actualidad hay cuatro líneas de investigación principales: - Simulación y diseño de nano sistemas. - Auto-ensamblado. - Ensamblado guiado. - Nanolitografía.

Simulación y diseño de nano sistemas. �Típicamente se hace a través de software de mecánica molecular. Lo están haciendo Drexler, Merkle, Globus y su equipo en la NASA. Uno de los proyectos en desarrollo es “JSC Carbon Nanotube Project”. El objetivo del proyecto es desarrollar nanotubos para la exploración espacial por su menor peso y mayor resistencia. NASA Commitment to Nanotechnology

Auto-ensamblado. �Se utilizan medios químicos para producir materiales o sistemas a partir de componentes a escala nanométrica. El auto-ensamblado funciona de forma paralela y permite la producción de construcciones relativamente grandes a gran velocidad, pero estas suelen ser estructuras altamente simétricas. En conjunción con una técnica para el modelado de superficies, puede producir estructuras irregulares.

Algunos ejemplos son: La creación de las burbujas que se crean al soplar aire a través de un aro con detergente. Las moléculas del jabón forman burbujas espontáneamente porque ellas interactúan de una forma especial cuando están rodeadas de mucho aire y poca agua.

Ensamblado guiado. � El ensamblado guiado es el uso de microscopios de efecto túnel para posicionar componentes de forma precisa y aplicar fuerzas. Tiene la ventaja de permitir la producción de estructuras asimétricas y la desventaja de ser un proceso en serie y por lo tanto lento. Algunos ejemplos son: - Músculos artificiales - Cristales, lunas o vitrinas multifuncionales - ….

Nanolitografía �Es el uso de microscopios de efecto túnel para crear estampados de líneas en una superficie o bien depositando o bien removiendo partículas. Un ejemplo serian el grupo de Lyding de la Universidad de Illinois (EE. UU. ).

La nano-ciencia en la biotecnología. �La nano-biotecnología tiene un futuro vastísimo por delante en diferentes aéreas: - Aplicación de medicamentos - Terapia génica - Nanobiosensores / nanochips de ADN - Sistemas de análisis nano-totales - Bioprocesos a nano-escala orientados hacia la bioreparación medioambiental

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 consiste en la inserción de genes en las celulas de los tejidos de un individuo para tratar una enfermedad en general, y enfermedades hereditarias en particular. La terapia génica tiene como objetivo suplir un alelo defectuoso mutado por uno funcional. Las nanopartículas han sido propuestos como alternativas a los virus

Nanobiosensores / nanochips de ADN �Utilizados para el monitoreo de las células vivas y la detección de amenazas biológicas tales como contaminantes, contaminación microbial, virus, enfermedades genéticas y contagiosas, y cáncer. Los nanosensores también pueden emplearse para conseguir una mejor utilización de fármacos dispensando las cantidades óptimas de los medicamentos en aras de maximizar su eficacia.

Sistemas de análisis nano-totales �Estos nanosistemas también se conocen como “chips de nanolaboratorio”, llevan a cabo análisis completos. Integran tres elementos importantes: un sistema de nanofluídos, un mecanismo de separación y un elemento de detección. Y se podrían utilizar para las actuales prácticas de diagnóstico clínico, secuenciación genómica, control medioambiental, …

Bioprocesos a nanoescala orientados hacia la bioreparación medioambiental �Propiedades recién descubiertas de los nanocristales prometen que pueden utilizarse en combinación con microorganismos para desmenuzar contaminantes tóxicos, y así limpiar todo tipo de flujos residuales.

Problemas �Existen varios problemas asociados a la comercialización de la nanotecnología. Uno de los mas grandes es la síntesis y el procesado de nanopartículas asi como también 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. No hay que confundir la viabilidad técnica y la comercial son dos cosas muy distintas.

Ejemplos �Nanotubos de carbono contra el cáncer �Nanotecnología en el sector textil �Nanometales en palos de golf �Nanotecnología e informática �Nanotecnología y militarización �Nanotecnología y ciclismo 24