La nanotecnología es quizás el nuevo camino que puede llevar a detectar rápidamente virus a bajo costo en la producción avícola.
La nanotecnología es la ciencia de lo más pequeño, de lo nano. Un nanómetro es 1 x 10-9 metros, es decir, la millonésima parte de un milímetro. Si dividimos un milímetro un millón de veces, resulta en un nanómetro. La nanotecnología trata, entonces, de cómo hacer estructuras o materiales de esas dimensiones, que obviamente presentan propiedades que no tienen los demás materiales que conocemos.
La nanotecnología se mueve en escalas nanométricas, pero también en la microescala, que corresponde al tamaño de las células y bacterias. El 95 por ciento de los virus en animales, vegetales y humanos oscilan entre 25 y 500 nanómetros.
El mundo nano
Para tener una idea de cuán pequeño es el mundo nano, los átomos miden décimas de nanómetro (nm); 10 átomos de hidrógeno en fila forman un nanómetro; las moléculas de ADN miden 2.5 nm de ancho; las células (como los glóbulos rojos) tienen diámetros en micras, es decir, miles de nm; la cabeza de un alfiler mide un millón de nm, mientras que una persona de 2 m de altura mide 2,000 millones de nm.
Las diferentes formas del carbono
El carbono es un elemento abundante en la naturaleza y es muy importante en el desarrollo de la nanotecnología. Hay diferentes formas de este elemento, desde el grafito de los lápices, que es un material suave con el que se puede escribir, hasta el diamante, que es totalmente opuesto, pues es un material súper duro y transparente.
La distribución de los átomos de carbono y de cómo están unidos el uno con el otro le confieren también diversas propiedades. Por ejemplo, el grafito conduce la electricidad porque existen electrones libres en la estructura, pero el diamante no, ya que todos los electrones de los átomos forman parte de los enlaces atómicos.
El grafito y el grafeno son hojas de redes hexagonales de carbono colocadas una arriba de otra, que hacen que el material sea muy suave por tener una interacción muy débil entre ellas, pero una resistencia mecánica mayor al acero.
“Es lo más delgado que puedes tener en un material, pues es una capa de átomos”, dijo el Dr. Mauricio Terrones, profesor de Penn State University, en Estados Unidos.
Hay otros materiales de carbono, como los fullerenos (carbono 60) —que son pequeñas esferas— y los nanotubos, que son fullerenos elongados. Ambos cuentan con las mismas estructuras hexagonales de átomos de carbono. Para hacer esferas, se necesita de pentágonos que las unan, como en un balón de fútbol, pero los nanotubos, son puros hexágonos de anillos de benceno polimerizados. La relación de tamaño de un balón de fútbol a un fullereno es la misma que la de un balón al globo terrestre.
El Dr. Mauricio Terrones ha desarrollado un dispositivo de nanotubos para aislar el virus de la influenza aviar. | Foto de Benjamín Ruiz
Nanotubos para atrapar virus
Los fullerenos se comportan como súper átomos que, si se alargan, se forma un nanotubo, que solo se puede ver con un microscopio electrónico. Los hay de varias capas, pero, además, la investigación es ahora con materiales en dos dimensiones.
A los nanotubos hay que controlarles su crecimiento y espaciamiento. “Lo que nosotros hacemos desde hace 20 años es desarrollar un método para crecer los nanotubos alineados”, afirmó Terrones. “Se ponen semillas, que son átomos o cúmulos de metal, a las que se les aplica un gas a 800°C y empiezan a crecer los tubos, en presencia del metal o catalizador (hierro, cobalto o un material ferromagnético)”.
Los nanotubos pueden crecer en la forma o lugar que se desee, de tal manera que creen una especie de alfombra. Terrones y su equipo tardaron cuatro años de investigación para controlar el espaciamiento entre los nanotubos. “Si lo puedes controlar, puedes atrapar ciertas cosas, para que funcione como un filtro. Fue entonces cuando empezamos a pensar en los virus”.
El virus de la influenza aviar es de alrededor de 100 nanómetros de diámetro. Las proteínas que lo recubren son las sensibles a los anticuerpos. Por dentro se encuentra el material genético (ADN o ARN). Cuando mutan los virus, cambia el 1 o 2 por ciento de la superficie y también el material genético. La mutación es muy rápida y, como sabemos, puede darse de gallina a gallina.
Sin embargo, con las mutaciones, el tamaño de los virus no cambia y, para atraparlos, no se necesita desarrollar un nuevo anticuerpo. Con los nanotubos alineados, “lo interesante es que los podemos atrapar, incluso si es un virus nuevo, y después hacer la secuencia para determinar qué tipo de virus es”.
Diagnóstico temprano
Esta tecnología es una herramienta de diagnóstico temprano para encontrar virus cuando no se tiene idea de qué pueda ser. En un brote de influenza aviar, esta tecnología permite aislar el virus y determinar cómo mutó, para después replicarlo y desarrollar vacunas.
La muestra se coloca en un dispositivo microfluídico de 1 cm2, que contiene partículas de hierro. En función del tamaño de la partícula metálica, se puede controlar el tamaño y el espaciamiento de los tubos. Los nanotubos crecen y luego con un polímero se forma una especie de estuche o armazón.
Posteriormente, por la entrada, se inyecta el material para atrapar los virus. “Lo interesante es que tienes un filtro en tres dimensiones en el que controlas el espaciamiento para los diferentes tipos de virus”. La mayoría de los virus están en un rango de tamaño de 25 a 500 nm.
Luego, se abre el dispositivo, se sacan los nanotubos y se ponen en el microscopio electrónico para ver qué es lo que hay. Después, se inyecta el virus recolectado, con todo y nanotubos, a un huevo SPF para replicarlo.
Esta tecnología funciona con concentraciones incluso muy bajas de virus, además de que no se obtienen falsos negativos, como con la PCR. Lo importante es que se mejora la detección en 100 veces o más. Y no necesita del desarrollo de anticuerpos.
Foto cortesía de Penn State University
Desarrollos futuros
Esta vertiente de la nanotecnología para la detección del virus de la influenza aviar, así como de otros virus, necesita desarrollarse aún más para poderla comercializar. El profesor sostuvo que una de las direcciones de la investigación que él y su equipo gustarían desarrollar es la de la replicación del virus para desarrollar vacunas. Otra área sería el desarrollo de un dispositivo para transportar este microorganismo. Con esto, los virus están encapsulados y pueden transportarse sin peligro. “Se pueden hacer ‘bibliotecas’ o colecciones para transportar o formar un banco de una manera muy segura”. Podrían haber muchas aplicaciones con esta tecnología.
Otra de las implicaciones importantes es que los virus, una vez aislados, normalmente hay que mantenerlos en nitrógeno líquido. “Nos hemos dado cuenta que entre los nanotubos parece ser que no se necesita de temperaturas tan bajas para preservarlos”.
Aplicaciones comerciales
Con su empresa emergente, en la búsqueda de fondos, la licencia de la patente y un laboratorio para fabricar estos dispositivos, Terrones espera pronto salir al mercado.
“Creo que sería interesante ver qué se puede hacer en países como México, donde es posible desarrollar más y puede salir más barato. Sería también interesante ver cómo los avicultores o los inversionistas en la avicultura estarían interesados en tratar de fondear estas nuevas tecnologías vanguardistas”.
¿Quién es Mauricio Terrones?
El Dr. Mauricio Terrones tiene una licenciatura en Ingeniería Física de la Universidad Iberoamericana de la Ciudad de México. Hizo su doctorado y posdoctorado en la Universidad de Sussex en Brighton, Inglaterra, con el premio Nobel de Química de 1996, Harold W. Kroto.
Posteriormente, se fue a Alemania tras obtener una Humboldt Fellowship en el Instituto Max Plank de metalurgia y desarrolló estudios en microscopia electrónica de materiales. Regresó por seis meses a Inglaterra como profesor asistente, para volver a su natal México, incorporándose al Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, en San Luis Potosí, donde trabajó nueve años como investigador y coordinador de posgrado. En este centro, desarrolló la nanociencia y nanotecnología del carbono, y consolidó su carrera científica.
Ha trabajado en física, química y ciencia de materiales, pero todo relacionado con nanomateriales de carbono y materiales bidimensionales.
Actualmente, es profesor distinguido de Física, Química, Ciencia de Materiales e Ingeniería en Penn State University, en Estados Unidos. Durante tres meses al año, trabaja en la Universidad Shinshu en Japón y sus últimos sabáticos lo realizó en la Universidad Carlos III y en el IMDEA-Materiales, en Madrid, España.