Nanotecnología

Por Cristina Chamorro Poyo

GoodFood, Seguridad y calidad alimentaria con microsistemas, es el nombre de un proyecto integrado, ya introducido en este blog, que tiene como objetivo el desarrollo y la aplicación de micro y nanosistemas que hagan posible el control de la calidad y seguridad en los alimentos a lo largo de toda la cadena de producción.

Los antibióticos bectalactámicos, el cloranfenicol, las tetraciclinas y las sulfonamidas son los cuatro grupos de antibióticos que más preocupan a las empresas lácteas y para los cuales es prioritario desarrollar sensores que permitan detectar su presencia en el momento de recoger la leche. Esto es posible gracias a las características y ventajas de estos sistemas (menor tamaño y coste, mayor rapidez respuesta, portabilidad, menor consumo de reactivos), que permitirán un mayor número de tests y una mayor proximidad al producto.

GoodFood se centra inicialmente en productos como la leche y derivados, la fruta, zumos de fruta, el pescado y el vino. El lema que resume el objetivo final del proyecto es "llevar el laboratorio al alimento y del campo hasta la mesa".               

Sin embargo, los posibles residuos a detectar y controlar en los alimentos son numerosos. Por eso, una de las primeras acciones realizadas en GoodFood ha sido recoger la opinión de empresas representativas del sector en Europa para delimitar cuales son los residuos prioritarios.

Encuesta a empresas representativas

Para las empresas lácteas, los antibióticos más problemáticos son los bectalactámicos, cloranfenicol, tetraciclinas y sulfonamidas, familias de antibióticos ampliamente usados en el ganado. Su presencia en la leche es nociva para la salud del consumidor y, además, dificulta la producción de quesos o yogures, ya que impiden la proliferación de las bacterias responsables de la fermentación y la curación del producto.

Otros antibióticos que preocupan a las empresas son los macrolidos y aminoglicosidos, aunque en la práctica se prescriben conjuntamente con algún otro antibiótico de los cuatro grupos previamente mencionados, por lo cual bastaría con desarrollar un sensor que detectara uno u otro antibiótico. Otro residuo que preocupa a las empresas son las quinolonas, no tanto porque se use en el ganado (está prohibido en vacas lecheras) sino porque es un residuo a controlar según la normativa.

En GoodFood se desarrollan sistemas multisensores y kits rápidos que permitirán detectar en 10 minutos la presencia de esos antibióticos en el mismo momento en que la leche es recogida en la granja, recién ordeñada de las vacas, y antes de incorporarla al camión de recogida, para evitar la contaminación de todo el producto.

Las empresas vitivinícolas consultadas, por su parte, revelan en el cuestionario que los pesticidas que más les preocupan y deberían, pues, ser prioritarios en su detección son el 2,4,6 triclorofenol, la simazina, la atrazina y el clozolinato. Casi todas las empresas coinciden en la necesidad de sistemas basados en microtecnologías que detecten la presencia de pesticidas en la cadena de producción del vino, especialmente en puntos críticos como en la viña, en la recepción de la uva, en el embotellado tras el paso por las cubas y antes de comercializarlo. La presencia de pesticidas en la uva y en el vino puede deberse al uso de estos compuestos en el tratamiento de los viñedos, pero también a residuos presentes en la madera de los barriles o en el corcho del tapón (si los árboles o la madera han sido tratados).

Precisamente en el sector vitivinícola será donde GoodFood aplicará la primera experiencia piloto que llevará el laboratorio desde el campo hasta la mesa. Lo harán controlando a base de sensores ubicados en todas las partes y fases de una planta productora de vino, y conectando estos sensores a un sistema central de recogida y análisis de datos. El sistema controlará desde la luz, la humedad o la temperatura de los viñedos, hasta la existencia de pesticidas en las barricas o el ambiente de las bodegas. De esa forma se podrá analizar automáticamente los resultados y prever posibles problemas, como el mayor riesgo de aparición de hongos en los viñedos, o la presencia de residuos indeseables en las barricas. Esta experiencia se llevará a cabo en Italia.

Otras dianas del proyecto son mohos como Aspergillus en la uva y Penicillium expansum en las manzanas. Igualmente, GoodFood trabaja en el desarrollo de microsistemas para la detección de las micotoxinas generadas por esos mohos: patulina, generada por Penicillium expansum, en zumos de manzana; ochratoxina A, generada por Aspergillus, en uvas y vino; y la aflatoxina M1, presente en la leche si la vaca ha comido alimentos contaminados con la micotoxina aflatoxina B1 (la aflatoxina M1 es resultado de la metabolización en el hígado de la vaca de la aflatoxina B1). También se desarrollarán microsistemas para detectar Listeria y Salmonella en leche y queso tierno.

     Goodfood desarrolla sensores de DNA para la  detección de patógenos como Salmonella o Listeria

Detectar el estado de la fruta y del pescado

En GoodFood también se desarrollan microsistemas para la detección de las emisiones gaseosas de los alimentos que pueden servir, por ejemplo, para determinar el estado de la fruta conservada durante largo tiempo en ambientes controlados o para detectar la rápida degradación del pescado. Los principales objetivos son el desarrollo de sistemas para la detección conjunta del etileno (indicador del estado de madurez de la fruta) y el amoniaco (indicador de fugas en el sistema de refrigeración de las cámaras). En el caso del pescado, las emanaciones que pueden actuar como indicadores de la pérdida de frescura son la TMA (trimetilamina), el amoniaco y el TVB-N (nitrógeno básico volátil).

   Cromatógrafo de gases miniaturizado para la detección de aminas volátiles en pescado. Sistema desarrollado por CNR-INM Bolonia (Italia)

El desarrollo de plataformas que incorporen los sensores de gases antes mencionados que permitan el control de los alimentos a lo largo de toda la cadena logística es otro de los objetivos principales y que sin duda se conseguirá en un futuro.

Páginas web de interés: 

http://www.azti.es/muestracontenido.asp?idcontenido=264&content=8&nodo1=26&nodo2=0 

http://prensa.vlex.es/vid/food-coordina-lacteos-pescados-zumos-17406187

http://www.dicat.csic.es/goodfood_esp.html

http://www.alimentatec.com/muestrapaginas.asp?nodo1=0&nodo2=0&idcontenido=592&content=18

Por Pablo García Corzo

Continuando con la búsqueda de nanoingenios nadadores, los investigadores Ali Najafi y Ramin Golestanian han desarrollado otro nanorobot más original por no estar basado en la biología (http://www.technologyreview.com/Biotech/13698/ )

Este sistema se basa en tres esferas unidas por dos brazos. El movimiento principal del nanorobot se realiza acortando uno u otro brazo y volviéndolo a estirar. En cada ciclo del movimiento, el nanorobot acorta el brazo izquierdo en primer lugar, a continuación hace lo mismo con el derecho para luego extenderlos en ese mismo orden. Con ello, logra dar pequeños impulsos hacia un lado e impulsos mayores hacia el otro logrando un movimiento global en una dirección dada. En biología, lo más parecido podría ser el modo de movimiento de un gusano de tierra que se desplaza a base de pequeñas ondas (podemos imaginarlo como en el paso de baile llamado "el gusanito").

El precedente más similar en la robótica es un microrobot de unos 20mm ideado por MA Jianxu, LI Mingdong y MA Peisun de la escuela de ingeniería mecánica de Shangai (http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_kxtb-e200011005.aspx) para recorrer tubos estrechos. Un sistema bastante similar pero con sólo dos esferas que cambian de volumen intercambiando fluido entre ellas fue desarrollado por unos físicos israelíes (Joseph Avron, Oded Kenneth y David Oaknin). El sistema "PushMePullYou" de dos esferas (http://www.iop.org/EJ/article/1367-2630/7/1/234/njp5_1_234.html) resultó ser más eficiente y sencillo que el de tres (ver vídeo http://www.iop.org/EJ/mmedia/1367-2630/7/1/234/swimmer.swf) y matemáticamente tenía las mismas ventajas de simplicidad por ser un movimiento unidimensional.

Este sistema se parece a un movimiento llamado "metaboly" que realiza un tipo de microorganismos conocidos como Euglena (http://es.wikipedia.org/wiki/Euglena). Algunos biólogos creen que este movimiento no está ligado a una intención de desplazamiento sino que son movimientos con fines alimentarios mientras otros sí que creen que lo realizan para desplazarse. En cualquier caso, esa técnica utilizada para nadar da muy buenos resultados en el diseño de nanorobots, llegando a superar en eficiencia al sistema de flagelos. En los siguientes videos se muestra este mecanismo:

http://triemerlab.plantbiology.msu.edu//Euglena/movies.htg/ccmp389a.mov http://triemerlab.plantbiology.msu.edu//Euglena/movies.htg/ccmp389.mov http://triemerlab.plantbiology.msu.edu//Euglena/movies.htg/eutrep2.mov

Si nos fijamos en los vídeos, el movimiento de "metaboly" es muchísimo más lento que los producidos por flagelos. La lentitud de este movimiento se debe principalmente a la disipación producida durante los movimientos de los fluidos en el interior de la euglena.  En la construcción artificial de este sistema, las esferas podrían ser rellenadas con gases de muy baja viscosidad, lo que no es el caso de estos organismos, haciendo que la eficiencia se viese aumentada enormemente.

Las matemáticas involucradas en este tipo de natación a nanoescala son complejas y aun no se comprenden del todo bien. Si analizamos en una primera aproximación el movimiento de estos nanorobots, el sistema no debería avanzar en ninguna dirección por muy diferentes que fuesen las velocidades del movimiento de uno y otro brazo por respeto al principio de conservación del momento lineal… y sin embargo se mueve.

Al haber logrado reducir el movimiento natatorio a una sóla dimensión con estos sistemas, las matemáticas se simplifican enormenmente y se hace viable no sólo estudiarlo sino construir un sistema de este tipo y controlar en la práctica el movimiento del nanorobot resultante (http://www.softmachines.org/wordpress/?p=163). Aunque no creo que deba entrar en tecnicismos excesivos en este escrito, en el artículo de Avron, Kenneth y Oaknin puede verse esta problemática y su solución en un lenguaje matemático perfectamente comprensible con una mínima base de dinámica de fluidos.

Con todo, nos quedamos con la idea de que ha habido que rediseñar (como siempre en nanotecnología) la forma de moverse, de funcionar y de entender el mundo realmente, pues el mundo nanoscópico parece tanto más diferente al nuestro, al que tocamos día a día, cuanto más nos sumergimos en él. Para desplazarnos por el agua en el mundo macroscópico lo primero que se nos ocurrió fue mover grandes ruedas con palas imitando nuestra forma natural de nadar estilo crawl. Luego hicimos un poco de ciencia e inventamos la hélice que era un sistema aparentemente menos natural pero más eficiente.

Del mismo modo, lo primero que se nos ocurrió para movernos por el mundo microscópico fue 
utilizar los flagelos, pero un poco de ciencia nos hizo descubrir los sistemas pulsados, más eficientes y fácilmente controlables.

El camino fácil e inmediato es el de aprovechar lo que la naturaleza ha sabido desarrollar durante miles de años y crear verdaderos coches de caballos como los de antaño sustituyendo los caballos por bacterias. Sin embargo, igual que el hombre quiso diseñar sus propios sistemas de locomoción macroscópicos construyendo sus máquinas de vapor, hoy trata de diseñar métodos de natación a nanoescalas más eficientes y mejores.

Por Pablo M. García Corzo

Dentro de la nanorobótica, hay una fuerte corriente que se desarrolla enfocándose a la medicina y encaminándose hacia sueños como los del Viaje Alucinante de Asimov (http://www.avcff.org/noticia/noticia0606/arti2206.htm).

En este ámbito, es fácil entender que no interesa tanto crear robots que se parezcan a nuestros coches (http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2007/03/13/el-nanocar/) caminando sobre una superficie sino que resulta más interesante desarrollarlos parecidos a nuestros submarinos, nanorobots nadadores que sean capaces de moverse en los medios mayoritariamente fluidos del cuerpo humano y realizar funciones que pueden ir desde liberar medicamentos en lugares muy concretos hasta limpiar arterias (http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn6474 ).

Sin duda dentro de la medicina hay muchas esperanzas puestas en la nanotecnología y mucho presupuesto destinado a fines tan nobles (a la vez que políticamente rentables) como minimizar los efectos colaterales de la quimioterapia llevando el medicamento al punto específico donde se requiere su acción.

En la carrera por construir ese nanorobot nadador que surque los ríos de nuestras venas realizando labores de mantenimiento se ha investigado muchísimo y se han ideado muchas técnicas de locomoción, algunas de ellas verdaderamente originales y diferentes. A tamaños tan diminutos, los efectos de la viscosidad y de los choques con las moléculas del líquido se hacen mucho más importantes que la inercia, de modo que los científicos se propusieron rediseñar el método de natación. Para moverse, un nano-nadador necesita realizar un movimiento no recíproco, esto es, asimétrico. Lo más común en biología (y en las películas) es encontrar seres que naden moviendo uno o más flagelos (magníficos vídeos que muestran cómo funciona el movimiento de natación en microbiología: http://triemerlab.plantbiology.msu.edu//Euglena/Index.htm). En esto se basa el nanobot nadador ideado por Bahareh Behkam y Metin Sitti (http://nanolab.me.cmu.edu/projects/swimming/).

Del mismo modo que Poseidón viajaba por los mares en su carro tirado por caballos de mar, éste nanobot viaja impulsado por una bacteria de 0.5 micras de espesor y 2 de longitud, la Serratia Marcescens (http://en.wikipedia.org/wiki/S.marcescens) que tiene un flagelo de sólo unos 20 nanómetros de diámetro y unas 10 micras de longitud que mueve rapidísimo con una frecuencia de unos 300 ciclos por segundo.

El papel de las riendas en este peculiar carro de caballos las hacen  microesferas de Polyestireno que se adhieren a las bacterias a través de fuerzas electrostáticas, hidrófugas y de Van Der Walls. El control sobre las bacterias se realiza con diferentes compuestos químicos que pueden ser diluidos en el medio, utilizando, por ejemplo, iones de cobre para detenerlas o ácido etilenodiaminotetraacético para reactivarlas.