Se utilizan como medicamentos, portadores de fármacos y para combatir microbios en hospitales, destruir patógenos vegetales y reducir la cantidad de fertilizantes tradicionales utilizados en la agricultura; las nanopartículas se están apoderando de la medicina y de la industria agroalimentaria.
por Marcin Behrendt, Universidad Nicolás Copérnico
Las nanopartículas son estructuras diminutas de hasta 100 nanómetros de tamaño. Se caracterizan por propiedades físicas y químicas y actividad biológica diferentes a las de sus homólogos materiales más grandes.
«Cuando el material de partida en una microescala con un área de superficie específica se descompone a tamaño nano, es decir, en partículas más pequeñas, su área de superficie aumentará muchas veces. Y es la relación entre superficie y volumen lo que da como resultado propiedades únicas de nanopartículas», explica el profesor Mahendra Rai de la Universidad Sant Gadge Baba Amravati de la India.
Las nanopartículas pueden ser principalmente orgánicas o inorgánicas. Entre los orgánicos podemos distinguir liposomas, micelas y dendrímeros.
«Los liposomas son vesículas hechas de una bicapa de fosfolípidos con espacio libre en su interior, en las que se puede colocar, por ejemplo, un medicamento y administrarlo con precisión en el lugar objetivo del cuerpo porque los liposomas se desintegrarán en el ambiente ácido del tumor y liberarán la droga que contiene», dice el prof. Patrycja Golinska del Departamento de Microbiología de la Facultad de Ciencias Biológicas y Veterinarias NCU.
«Entre las nanopartículas inorgánicas podemos distinguir nanopartículas de metales como plata, oro, titanio, cobre, óxidos metálicos (p. ej. óxido de zinc) y semimetales (metaloides) como sílice, selenio y aluminio. En la Universidad Nicolaus Copernicus «Nos centramos principalmente en nanopartículas metálicas. Hasta ahora, hemos biosintetizado principalmente nanopartículas de plata y oro. En los últimos años, también hemos biosintetizado nanopartículas de óxidos de zinc, cobre y magnesio».
Las nanopartículas se pueden obtener de diversas formas, pero en los últimos años la llamada síntesis verde (síntesis biológica o biosíntesis) ha despertado un creciente interés en la nanotecnología.
«Es respetuoso con el medio ambiente. En la síntesis biológica, a diferencia de la síntesis química o física, en la producción de nanopartículas no se utilizan compuestos tóxicos y no se consumen grandes cantidades de energía», afirma el profesor Rai.
Además, después de la producción química o física de las nanopartículas, todavía es necesario estabilizarlas, es decir, «recubrirlas» con otros compuestos químicos, que normalmente también son tóxicos. La cuestión es que las nanopartículas no se agregan, es decir, no se combinan entre sí formando estructuras de mayor tamaño y no pierden su superficie de reacción y, por tanto, sus propiedades únicas.
Nanotecnología verde
Los biólogos de la Universidad Nicolás Copérnico de Toruń se interesaron por la biosíntesis, es decir, la síntesis de nanopartículas por parte de microorganismos como hongos y bacterias, así como de algas y plantas. Durante la visita del Prof. Rai a Polonia, los científicos se centraron en la micosíntesis, es decir, la síntesis de nanopartículas utilizando hongos.
«En el marco del proyecto que el profesor Rai llevó a cabo en la Universidad Nicolaus Copernicus, sintetizamos nanopartículas de plata utilizando hongos, principalmente del género Fusarium, que infectan plantas, incluidos los cereales, pero también de otros géneros como Penicillium, que desarrollan, por ejemplo, mandarinas y limones», dice el prof. Golinska. «En esta producción no se utilizan compuestos tóxicos ni se generan residuos tóxicos».
La ventaja de los hongos sobre otros microorganismos en la síntesis de nanopartículas es que producen una gran cantidad de diversos metabolitos, incluidas muchas proteínas, incluidas enzimas, y muchas de estas sustancias pueden participar en la reducción de iones de plata a nanoplata.
Aplicaciones
La nanotecnología se puede utilizar en las áreas más importantes de la vida humana: la medicina, la agricultura, la industria del embalaje y el almacenamiento de alimentos. Las nanopartículas son muy activas contra diversos microorganismos.
Combaten muy bien los microbios patógenos e inhiben su propagación, con lo que se pueden producir diversas superficies y materiales en los hospitales, como las máscaras con filtro de nanoplata, que se crearon durante la pandemia de COVID-19. Son eficaces contra las bacterias resistentes a los antibióticos de uso común. Las nanopartículas de plata también tienen propiedades anticancerígenas.
«Los nanomateriales son inteligentes, se pueden administrar, por ejemplo, por vía intravenosa, pero actúan en el lugar objetivo, es decir, en un tumor canceroso, y no como la quimioterapia, que se distribuye por todo el cuerpo al mismo tiempo que destruye tanto las células anormales como las sanas. «, explica el profesor Rai. En el caso de las nanopartículas, podemos utilizar una terapia dirigida, en la que el fármaco anticancerígeno se liberará únicamente en el lugar del tumor. Las propias nanopartículas pueden ser un fármaco y también un vehículo.
En agricultura, la nanotecnología se utiliza en tres aspectos. El primero es la detección temprana de patógenos vegetales antes de que aparezcan los primeros síntomas de enfermedades de las plantas. La nariz electrónica es una tecnología de la que no nos ocupamos por el momento, pero gracias al uso de nanomateriales como nanocables o nanobarras de óxido de zinc en este dispositivo, detecta sustancias volátiles producidas por hongos patógenos.
«También se pueden utilizar otros tipos de nanobiosensores que detectan el ADN de patógenos vegetales», afirma la profesora Golinska. «Gracias a esto, se pueden aplicar tratamientos agrotécnicos adecuados antes de que aparezcan los síntomas de una infestación de las plantas, como por ejemplo decoloración, incursiones o necrosis de las láminas foliares».
El segundo aspecto es el uso de una solución de nanopartículas para combatir directamente los patógenos que ya se han desarrollado en las plantas. Estas nanopartículas suelen actuar en concentraciones mucho más bajas que los fungicidas químicos, por lo que su concentración en el medio ambiente también es mucho menor en comparación con los fungicidas de uso común.
El tercer ámbito de aplicación de los nanomateriales en la agricultura es el suministro de nutrientes a las plantas. Como en la medicina, los propios nanomateriales pueden ser un nutriente o un vehículo que contiene un nutriente que puede liberarse de forma controlada. Cuando los agricultores utilizan fertilizantes tradicionales, en poco tiempo entregan enormes cantidades a los campos, que las plantas no pueden aprovechar y una gran parte de ellos penetra profundamente en el suelo hasta las aguas subterráneas y, en consecuencia, hasta los depósitos de agua (aguas superficiales). ).
Esto afecta negativamente al medio acuático provocando su eutrofización. La fertilización excesiva también daña los microorganismos del suelo y conduce a la llamada. «Fatiga del suelo», es decir, un desequilibrio constante en el contenido de nutrientes, que afecta negativamente al tamaño de los cultivos. Mediante la nanoencapsulación, es decir colocar nanopartículas que son nutrientes para las plantas en cápsulas o matrices, se pueden aplicar estos nutrientes por vía foliar o al suelo.
«La mayor ventaja de esta solución es la liberación de nutrientes de forma controlada, lenta y constante. Este es un elemento del desarrollo sostenible, que hoy en día es extremadamente importante», afirma el profesor Rai.
Hongos amigables
El Prof. Rai vino a Polonia durante dos años gracias a una beca que recibió de la Agencia Nacional Polaca de Intercambio Académico (NAWA). En el marco del proyecto propuesto «Desarrollo de nuevos nanomateriales biológicamente activos y respetuosos con el medio ambiente», junto con un equipo formado por el Dr. hab. Patrycja Golińska (prof. de NCU), Dra. Magdalena Wypij y Ph.D. La estudiante Joanna Trzcińska-Wencel se ocupó de la producción de nanocompuestos a base de pululano y nanopartículas de plata (AgNP) para combatir diversos microorganismos.
«El pululano, un polímero biodegradable natural, se biosintetizó utilizando hongos (Aureobasidium pullulans) y se combinó con nanopartículas de plata, producidas mediante síntesis verde utilizando hongos del moho, que mencioné anteriormente», explica la profesora Golińska. «Hemos creado películas, es decir, láminas finas y flexibles, con nanopartículas de plata incrustadas. Probamos estas películas, por ejemplo, para combatir los patógenos responsables de infecciones de heridas o que se desarrollan en los alimentos, como Listeria monocytogenes o Salmonella sp., es decir, de facto para extender la vida útil de los alimentos.»
El pululano incorporado con nanopartículas de plata presenta propiedades beneficiosas y por tanto podría utilizarse, por ejemplo, en la producción de envases para alimentos o apósitos que aceleren la cicatrización de heridas, protegiéndolas contra el desarrollo de infecciones. «Cuando tenemos heridas más extensas, por ejemplo quemaduras, están muy expuestas al desarrollo de infecciones», explica la profesora Golińska. «Asegurar ese lugar con un polímero biodegradable con un agente que inhiba el desarrollo de patógenos acelerará significativamente la curación de las heridas».
El equipo pretende patentar un método para obtener nanocompuestos a base de pululano y liberar nanopartículas de la película.
Durante la visita del profesor se publicaron dos artículos de investigación en la revista Frontiers in Microbiology : » Nanoplata biogénica con actividades antimicrobianas y antibiopelículas y su potencial para su aplicación en agricultura e industria» y » Actividad superior de curación de heridas in vivo del nanogel de plata micosintetizado en diferentes Modelos de heridas en ratas.»
Otros dos, » Biofabricación de novedosas nanopartículas de plata y óxido de zinc de Fusarium solani IOR 825 y su potencial aplicación en agricultura como agentes de biocontrol de fitopatógenos y promotores de germinación de semillas y crecimiento de plántulas» y » Películas a base de pululano impregnadas con nanopartículas de plata de Fusarium culmorum». cepa JTW1 para aplicaciones potenciales en la industria alimentaria y la medicina» se publicaron justo después de que el Prof. Rai abandonara Polonia. Los artículos fueron publicados en Frontiers in Chemistry y Frontiers in Bioengineering and Biotechnology .
Más información: Joanna Trzcińska-Wencel et al, Nanoplata biogénica con actividades antimicrobianas y antibiopelículas y su potencial de aplicación en la agricultura y la industria, Frontiers in Microbiology (2023). DOI: 10.3389/fmicb.2023.1125685
Swapnil Gaikwad et al, Actividad superior de curación de heridas in vivo del nanogel de plata micosintetizado en diferentes modelos de heridas en ratas, Fronteras en microbiología (2022). DOI: 10.3389/fmicb.2022.881404
Joanna Trzcińska-Wencel et al, Biofabricación de nuevas nanopartículas de óxido de plata y zinc de Fusarium solani IOR 825 y su posible aplicación en la agricultura como agentes de biocontrol de fitopatógenos y promotores de la germinación de semillas y el crecimiento de plántulas, Frontiers in Chemistry (2023 ) . DOI: 10.3389/fchem.2023.1235437
Magdalena Wypij et al, Películas a base de pullulano impregnadas con nanopartículas de plata de la cepa JTW1 de Fusarium culmorum para aplicaciones potenciales en la industria alimentaria y la medicina, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2023). DOI: 10.3389/fbioe.2023.1241739
