La nanobiotecnología modela e impulsa a la bioingeniería y a la ingeniería biomédica.

La bioingeniería consiste en la aplicación de las técnicas y las ideas de la ingeniería a la biología. Hoy en forma predominante la bioingeniería se orienta fuertemente a dar respuestas en el campo de la medicina, originando una especialización comúnmente denominada ingeniería biomédica.

La ingeniería biomédica (y por ende gran parte de la bioingeniería) es una disciplina de vanguardia dentro de las ingenierías especializada en resolver problemas inherentes a los seres humanos a través distintas ramas  tales como: la biomecánica, la bioóptica, los biosensores, las imágenes médicas, la bioinformática, los órganos artificiales, el procesamiento de señales, la telemedicina, la ingeniería clínica y la ingeniería de rehabilitación. Su posibilidad de dar respuestas y de crecimiento está íntimamente ligada al sostenido desarrollo de sus ciencias-tecnologías de base, la biotecnología y  la nanotecnologia. Es así como encontramos desarrollos de vanguardia: nanotelescopios implantables en un ojo para tratar la degeneración macular; nanorobots de AND autónomos con capacidad de trasportar distintas moléculas y variar su estructura para entregarlas en la superficie de células cancerosas con la posibilidad de ordenarles su autodestrucción; nanotubos de carbono para desarrollar células cardíacas tendientes a regenerar el tejido muscular dañado por un infarto; nanopartículas con un biopolímero sintético antimicrobiano biodegradable para destruir bacterias resistentes, etc.
La integración de la biotecnología y la nanotecnologia denominada nanobiotecnología modela e impulsa a la bioingeniería y a la ingeniería biomédica.

Sin el dominio de la biotecnología y de la nanotecnología toda bioingeniería (y por ende toda ingeniería biomédica) corre el riesgo fluctuar en un laberinto de pasado.

Nanobiorobot para inducir el suicidio de las células cancerosas.

Shawn M. Douglas, Ido Bachelet y George M. Church, investigadores del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering and Department of Genetics, Harvard Medical School, publicaron en la revista Science  el trabajo experimental: “A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads”.
Los autores describen a un nanorobot de AND autónomo con capacidad de trasportar distintas moléculas y al variar su estructura entregarlas en la superficie de células cancerosas con la posibilidad de ordenarles su autodestrucción.

Trabajando con la técnica denominada “origami de ADN”, han logrado dar una forma de nanocartera tridimensional a su nanobiorobot, con dos mitades unidas por una especie de bisagra, y cerrada con trabas moleculares capaces de identificar a diferentes células. Al llegar y reconocer a estas se abre y deposita la carga molecular preparada para distintos tratamientos e incluso para modificar su comportamiento e inducirlas al suicidio.

La biotecnología y la nanotecnología se integran en un nanobiorobot, un nanodelivery molecular de ADN, con una estructura tridimensional capaz de encerrar moléculas, identificar con alta especificidad células dañinas, llegar a ellas y modificar su estructura para entregar la carga.

Un buen ejemplo de la ingeniería del siglo XXI.

Nanotubos de carbono en el latido del corazón.

Investigadores del Instituto de Medicina Regenerativa (REMEDI) de la Universidad Nacional de Irlanda, junto con investigadores del Trinity College de Dublín han aprovechado las propiedades eléctricas de un nanomaterial para la regeneración de las células cardíacas. Una vez dañado el corazón, el músculo cardiaco tiene muy poca capacidad de auto-reparación. Los investigadores han empleado las capacidades conductivas de los nanotubos de carbono para desarrollar células cardíacas que regeneran el tejido muscular dañado por un infarto. Dice el Dr. Valerie Barron del REMEDI: "…las propiedades eléctricas del nanomaterial provocan una respuesta en las células madre mesenquimales (adulto) procedentes de la médula ósea humana…” ,"…este es un enfoque totalmente nuevo y proporciona una fuente de células específicas con potencial para ser utilizadas como una terapia clínica nueva...” El trabajo ha sido recientemente publicado en dos revistas científicas, Biomaterials ("The electrical stimulation ofcarbon nanotubes to provide a cardiomimetic cue to MSCs") y Macromolecular Bioscience("In vitro Characterization of an Electroactive Carbon-Nanotube-Based Nanofiber Scaffold for TissueEngineering".

Los nanotubos de carbono ya laten junto al corazón humano.

La biotecnología en el cerebro de un robot

Un equipo de trabajo multidisciplinario de la Universidad de Reading (Reino Unido), presentó un robot con un sistema extraordinario de control. El sistema no utiliza un clásico microchip. Está formado por un pequeño recipiente conteniendo un caldo color rosa de nutrientes y antibióticos en el cual unas 300.000 neuronas de rata se autointerconectan. A su vez la red de neuronas se comunica enviando señales eléctricas a 80 electrodos (multi electrode array-MEA) ubicados en la base del recipiente.

Cuando el robot se acerca a un objeto sensores estimulan las neuronas del cerebro a través de los electrodos, en respuesta el cerebro genera pulsos eléctricos que mueven las ruedas del robot y le permiten girar a derecha e izquierda esquivando obstáculos.
El objetivo central de esta primera etapa es analizar como las neuronas se autoorganizan y como almacenan información específica en el cerebro. Esto es central para una mejor comprensión de enfermedades como Alzheimer, Parkinson´s, infarto y daño cerebral.
Para crear el “cerebro” se remueve la corteza neuronal del feto de una rata, con enzimas se separan las neuronas una de otra, luego se las deposita una capa delgada sobre el pequeño recipiente conteniendo los nutrientes necesarios para su crecimiento y las terminales de los 80 electrodos. Después de aproximadamente 5 días de cultivo celular las neuronas se convierten en una malla densa de axones y dendritas comenzando a detectarse actividad eléctrica. Todo un cerebro biotecnológico.
La investigación realizada en la Universidad de Reading no es la única en tal sentido en la actualidad. Existen equipos de trabajo con enfoques similares en otras universidades implementando proyectos sobre cultivo celular de material del cerebro para interconectarlo a simuladores y robots.
La trascendencia de estas investigaciones resulta evidente en un contexto donde células de piel pueden reprogramarse para su conversión en células cuasi madre y estas en células neuronales. El reemplazo de la red informatizada por una red “cerebro” neuronal constituye un nuevo avance en la ciencia cognitiva y la cognotecnología. Tal vez la más compleja y por ende la última en desarrollo entre las tecnologías de convergencia denominadas NBIC (siglas de: nanotecnología, biotecnología, informática y cognotecnología).
La temática es fascinante y despierta nuestra imaginación sobre el futuro mediato. Por lo pronto la biotecnología ya llegó al cerebro de un robot.

La píldora del aprendizaje y la memoria.

En la revista científica Cell se publicó el artículo “Suppression of PKR Promotes Network Excitabilitity an Enhnaced Cognition by Interferon-γ-Mediated Desinhibition " presentado por un grupo de 12 investigadores mayoritariamente del Baylor College of Medicine de Houston . El trabajo revela que al inhibirse mediante ingeniería genética la acción de la proteína quinasa (PKR), aumenta la excitabilidad de las células del cerebro potenciándose el aprendizaje y la memoria. El equipo del Baylor College of Medicine trabajó sobre dos tipos de ratones, unos con PKR en el cerebro y otros en los cuales esta molécula había sido inhibida. Los ratones sin acción de PKR mostraron en distintas y contundentes experiencias una especie de «súper memoria» comparados con el otro grupo de roedores testigos.El estudio publicado en la revista científica Cell demuestra que el proceso inhibidor de la PKR realizado en los roedores se puede reproducir en los humanos. Sólo haría falta hacer un medicamento, una pequeña molécula encargada de bloquear la molécula PKR para obtener “la píldora de la memoria”.El desarrollo y sobre todo su aprobación final para uso en humanos demandará años, el premio será nada más ni nada menos que la mejora de la actividad cerebral de millones de personas.No te olvides. La píldora de la memoria ya está en marcha.

Reprogramar la vida

Tres años atrás, obtener células similares a las embrionarias a partir de células adultas, sólo podía formar parte de la más increíble historia de ciencia ficción. Pero, en junio de 2006, el doctor Shinya Yamanaka, de la Universidad de Kioto publicó en la revista Cell una innovación revolucionaria: logró reprogramar células epiteliales de ratones para transformarlas en células madre. Desde entonces los investigadores en biotecnología de vanguardia se lanzaron al logro de la reprogramación de células humanas adultas para lograr que se comporten como células madre embrionarias, con capacidad para generar tejidos de todos y cada uno de los cerca de 220 tipos celulares distintos que conforman al hombre, sin tener que luchar con los problemas bioéticos inherentes a la utilización de embriones humanos. Finalmente y en forma prácticamente simultánea lo logran el equipo de Shinya Yamanakaka y otro grupo liderado por James Thomson, de la Universidad de Wisconsin (EEUU). Los dos han utilizado un proceso similar, aunque no idéntico, para reprogramar las células adultas de la piel.El doctor Yamanaka y sus colaboradores de la Universidad de Kyoto utilizaron los mismos factores de transcripción que emplearon en las células de ratones, Oct3/4, Sox2, Klf4 y c-Myc , sólo que esta vez se ayudaron de un receptor (una proteína, Slc7a1) para mejorar la eficacia de la técnica en humanos. Estos genes fueron insertados con la ayuda de retrovirus en células de piel humana y posteriormente se colocaron en un medio de cultivo. Pasados 25 días, las células adultas se habían reprogramado para convertirse en células madre como las embrionarias aunque no exactamente iguales a ellas. Por este motivo, se las denomina células de pluripontencialidad inducida (iPS, sus siglas en inglés). Tras colocar estas iPS en diferentes medios de cultivo, se demostró su capacidad para transformarse en diferentes tejidos como el nervioso y el cardiaco.El equipo liderado por James Thomson, de la Universidad de Wisconsin (Madison, EEUU), el primer científico que consiguió extraer células madre de embriones humanos en 1988, ha realizado un trabajo similar cuyos resultados han sido publicados en la revista Science. La técnica utilizada por estos investigadores se basa en la de Yamanaka pero en lugar de utilizar los mismos genes, han empleado dos de ellos (el Oct4 y el Sox2) y otros dos diferentes (el NANOG y el LIN28). Con la ayuda de lentivirus, insertaron los genes en células adultas de piel y tras cultivarlas durante un mínimo de 20 días, obtuvieron células con capacidad de producir células derivadas de cualquiera de las tres capas embrionarias: mesodermo, endodermo y ectodermo..; es decir células pluripotenciales.Todavía la comunidad científica no salía aún de su asombro cuando un grupo de científicos de la empresa Stemagen Corporation (La Jolla, California) logra el primer embrión clonado utilizando núcleos de células embrionarias obtenidas a partir de piel y óvulos donados por mujeres de edad entre 20-24 años. Para probar la veracidad de su descubrimiento los embriones obtenidos se destruyeron en los análisis realizados por un laboratorio independiente de modo de certificar a la comunidad científica la veracidad del clonado. Las células madre obtenidas del embrión clonado permitirían desarrollar terapias regenerativas para tratar enfermedades como el Alzheimer o el Parkinson.Se terminó la ciencia ficción, hoy se comienza a vislumbrar el camino para retrotraer la vida hasta el punto de obtener células madres embrionarias o embriones clonados a partir de células epiteliales adultas. Todo un futuro reprogramable

El desarrollo del lenguaje y la cultura humana producto de sólo dos mutaciones genéticas

En la revista Nature del 23 de agosto de 2002 se publicó el trabajo científico: “Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language”, realizado por investigadores de Instituto Max Planck y la Universidad de Oxford, el cual señala a un gen ubicado en el cromosoma 7 como el responsable de un fino control entre la laringe y la boca, necesario para articular y desarrollar la palabra. Desde entonces se incrementó el número de investigaciones relacionadas con el gen FOXP2. En un interesante trabajo publicado el 12 de noviembre del año 2009 “Human-specific transcripcional regulation CNS development genes by FOXP2” investigadores de la Universidad de California y de la Emory University de Atlanta comprueban que la alteración de sólo dos aminoácidos en la cadena de la proteína codificada por el gen cambia la función de ésta y permite encender y apagar más de un centenar de genes posibilitando la capacidad de expresión verbal y haciendo emerger el lenguaje en los humanos. Una característica diferencial con los restantes primates.
La estructura de aminoácidos de la proteína producida por el gen FOXP2 se conservó a través de la línea del tiempo tanto en el hombre como en el chimpancé. Pero cuando en el humano se produjeron las mutaciones responsables del cambio de los dos aminoácidos en la proteína expresada por el gen FOXP2, se originó una selección positiva, acelerando la evolución del hombre.
El surgimiento del lenguaje desempeña un rol fundamental en el todo el quehacer humano, en la formación del hombre, de su pensamiento y en su inteligencia, alguna vez definida como la capacidad de formar y procesar imágenes a partir de la interiorización de la palabra. Sin palabras el hombre no puede pensar racionalmente, sin palabras no podría existir el desarrollo actual de la cultura. La palabra también proyecta su mundo afectivo a través de la entonación, las pausas, el volumen de voz y el contexto situacional. El lenguaje desempeña de hecho dos funciones básicas, la del pensamiento (noética) y la comunicativa (semiótica). Nuestro lenguaje es el medio de comunicación conducente a establecer relaciones inéditas entre las palabras y descubrir atributos insospechados de las palabras permitiendo al ser humano crear el contenido de la cultura.
La investigación, centrada en la tecnología biotecnológica de avanzada, como lo es la utilización de 12 tipos distintos de microarrays (biochips de ADN), permite estudiar como esos dos cambios de aminoácidos en la expresión genética llevan a identificar 61 genes “sobreactivados” (upregulated) y 55 “genes subactivados” (downregulated) por el gen FOXP2 en hombre en comparación con el del chimpancé.
¿La primacía del hombre sobre otros animales se debe a sólo dos mutaciones en el gen FOXP2? La calidad de las investigaciones y sus múltiples comprobaciones con técnicas altamente desarrolladas no dejan mucho margen a lo incierto. ¿Tan poco pudo haber incidido tanto en la historia de la evolución? La característica diferencial con otros primates, el lenguaje, proviene de versiones del gen distintas entre los humanos y los chimpancés, con las consecuentes funciones diferentes conducentes a explicar la causa por la cual los cerebros humanos tienen el circuito del habla y otros primates no. Una significativa investigación. Un punto de inflexión en el conocimiento de nosotros mismos.