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. Propiedades Aplicación

Ópticas

Recubrimientos antireflectantes. Indice de refracción de superficies hecho a la medida. Sensores de luz para diagnóstico del cáncer. Filtros solares inorgánicos claros y efectivos.

Magnéticas

Dispositivos de almacenamiento con densidad incrementada. Partículas nanomagnéticas que mejoran la resolución de imágenes de Resonancia Magnética.

Térmicas

Mejoramiento de la transferencia de calor de colectores solares a tanques de almacenamiento. Incremento de la eficiencia de refrigerantes en transformadores.

Mecánicas

Incremento de la resistencia al desgaste. Nuevas propiedades anticorrosivas. Nuevos materiales estructurales y composites más ligeros y resistentes.

Electrónicas

Componentes más efectivos y de menor tamaño, por ejemplo capacitores para dispositivos pequeños como celulares. Pantallas más baratas, grandes, brillantes y eficientes. Materiales superconductores.

Energéticas

Baterías de alta densidad de energía más duraderas. Almacenamiento de hidrógeno utilizando nanoclústers metálicos. Electrocatalizadores para celdas de combustible de alta eficiencia. Celdas solares de muy alta eficiencia. Catalizadores que mejoran la eficiencia de máquinas de combustión.

Biológicas

Recubrimientos antibacteriales en vendajes. 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.

Relacionadas con el ambiente

Remediación de suelos. Polímeros biodegradables. Estimuladores de la germinación. Tratamiento de emisiones industriales. Sistemas más eficientes para el filtrado del agua. Sensores para la detección de contaminantes en pequeñas concentraciones.

Superficiales

Disponibilidad de amplios rangos de disolución de materiales. Mejoramiento de la actividad de catalizadores. Recubrimientos para vidrios autolimpiantes.

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.

os nanocristales o "quantum dots". ionalizar de muchas maneras y ya se encuentran en

os dendrímeros. los dendrímeros de otros polímeros es su nanoestructura precisa. Los

LTienen muchos usos y se pueden funcetapa 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]. LLo que diferencia adendrímeros 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

Figura 12

na solución interesante fue la construcción de grupos de nanopartículas usando dos

os liposomas. cápsulas a escala nanométrica (liposomas – vesículas formadas por lípidos

con distintas afinidades.

Udendrímeros 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]. LLa formación de 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

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