{"id":522,"date":"2012-06-19T15:08:02","date_gmt":"2012-06-19T14:08:02","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/?p=522"},"modified":"2012-06-19T15:09:05","modified_gmt":"2012-06-19T14:09:05","slug":"nanotecnologia-6-biomineralizacion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/2012\/06\/19\/522\/","title":{"rendered":"Nanotecnolog\u00eda (6): Biomineralizaci\u00f3n"},"content":{"rendered":"<p style=\"text-align: center;\"><strong><a title=\"Manuel Elices, UPM\" href=\"http:\/\/www.mater.upm.es\/Directorio\/PDI\/CU\/elices.asp\" target=\"_blank\">Manuel Elices Calafat<\/a><\/strong> (Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, F\u00edsicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)<\/p>\n<p>En el post anterior de esta serie sobre nanotecnolog\u00eda habl\u00e1bamos del\u00a0autoensamblaje de mol\u00e9culas,\u00a0que caracteriza la formaci\u00f3n de materiales en los seres vivos.<\/p>\n<p>Los fabricantes de materiales cer\u00e1micos buscan procedimientos baratos y eficaces para producir polvos muy finos \u2014nanom\u00e9tricos\u2014 con el fin de elaborar cer\u00e1micas m\u00e1s fiables. Estos polvos tan finos se pueden sinterizar a temperaturas y presiones m\u00e1s bajas debido a su gran relaci\u00f3n superficie\/volumen. Tambi\u00e9n permiten conseguir productos con menos defectos y con poros m\u00e1s peque\u00f1os; las cer\u00e1micas fabricadas a partir de nanopolvos suelen ser m\u00e1s tenaces que las cer\u00e1micas tradicionales. Ya se han fabricado prototipos de motores de explosi\u00f3n con componentes cer\u00e1micas a base de nanopolvos. Las ventajas son: menos peso, m\u00e1s resistencia a la corrosi\u00f3n y al desgaste, y mejor rendimiento. La dificultad est\u00e1 en conseguir nanopolvos baratos, ya que los procedimientos habituales \u2014molienda y machaqueo\u2014 no permiten llegar a los grados de finura deseados. Por estos motivos los cient\u00edficos han puesto los ojos en la naturaleza, en busca de ideas.<\/p>\n<p>La naturaleza fabrica nanomateriales por biomineralizaci\u00f3n. Desde las nanobr\u00fajulas que usan las bacterias hasta las estructuras macrosc\u00f3picas de las conchas de los moluscos, los corales o los colmillos de los elefantes, todas estas maravillosas estructuras, las ha producido la naturaleza depositando materiales inorg\u00e1nicos sobre sistemas biol\u00f3gicos. La biomineralizaci\u00f3n implica la extracci\u00f3n selectiva de elementos del entorno y su incorporaci\u00f3n en estructuras funcionales bajo control biol\u00f3gico. La biomineralizaci\u00f3n est\u00e1 teniendo un gran impacto en la ciencia de los materiales y en otras \u00e1reas como la paleontolog\u00eda y taxonom\u00eda (por los f\u00f3siles), la geoqu\u00edmica, la sedimentolog\u00eda o el estudio de la evoluci\u00f3n del clima.<\/p>\n<p>La biomineralizaci\u00f3n suele ofrecer a los organismos algo m\u00e1s que un esqueleto; les proporciona movimiento, protecci\u00f3n, flotabilidad y sistemas sensoriales que responden a los campos gravitatorio, \u00f3ptico y magn\u00e9tico. Deteng\u00e1monos, por curiosidad, en este \u00faltimo aspecto.<\/p>\n<p>Parece ser que el campo magn\u00e9tico terrestre influye en el comportamiento de muchos seres vivos. Se pueden encontrar ejemplos en microorganismos \u2014como bacterias y algas\u2014 abejas, salamandras, peces, tortugas, aves, mam\u00edferos marinos y, posiblemente, en humanos. El ejemplo que se conoce mejor es el de la magnetorecepci\u00f3n y magnetonavegaci\u00f3n de las bacterias con magnetosomas. R.P. Blakemore (1975) fue el primero que describi\u00f3 estos singulares microorganismos al observar c\u00f3mo grandes poblaciones de bacterias acu\u00e1ticas migraban siguiendo las l\u00edneas del campo magn\u00e9tico terrestre (<span style=\"color: #99cc00;\">Blakemore R.P. (1975) Magnetotactic bacteria. <em>Science<\/em> <strong>190<\/strong>, 377-379<\/span>).<\/p>\n<p>Los magnetosomas de las bacterias, en esencia, est\u00e1n formados por un nanocristal magn\u00e9tico rodeado por una membrana. Los cristales m\u00e1s frecuentes son \u00f3xido de hierro en forma de magnetita, Fe<sub>3<\/sub>O<sub>4<\/sub>, y sulfuro de hierro en forma de geigita, F<sub>3<\/sub>S<sub>4<\/sub>. Ambos son <em>ferrimagn\u00e9ticos<\/em> a temperatura ambiente y cristalizan con la estructura de la espinela inversa. El tama\u00f1o de los cristales siempre est\u00e1 dentro de unos l\u00edmites muy estrechos \u2014entre 35 y 120 nm\u2014 con objeto de optimizar la magnetizaci\u00f3n. Si las part\u00edculas son menores de 35 nm, tienen un comportamiento superparamagn\u00e9tico y no exhiben magnetizaci\u00f3n remanente. Y si son mayores de 120 nm, se pueden formar varios dominios magn\u00e9ticos y, por lo tanto, reducir tambi\u00e9n la magnetizaci\u00f3n remanente. La naturaleza no deja de sorprendernos y nos muestra c\u00f3mo la evoluci\u00f3n ha optimizado el tama\u00f1o de los nanocristales para que sea el de un solo dominio magn\u00e9tico.<\/p>\n<p>En muchas bacterias los magnetosomas est\u00e1n dispuesto en cadenas, de forma que los momentos dipolares magn\u00e9ticos de cada nanopart\u00edcula sean paralelos al eje de la cadena. Con esta disposici\u00f3n, el momento magn\u00e9tico de la c\u00e9lula es la suma de los momentos de las part\u00edculas y la c\u00e9lula maximiza el momento magn\u00e9tico total. Este momento es suficientemente grande para que su interacci\u00f3n con el campo magn\u00e9tico terrestre supere las interacciones de origen t\u00e9rmico que tienden a orientar aleatoriamente las c\u00e9lulas en medios acuosos. La cadena de magnetosomas es una obra de arte de la bioingenier\u00eda y se comporta como la aguja de una br\u00fajula biomagn\u00e9tica. Las bacterias con magnetosomas han resuelto el problema de dise\u00f1ar un dipolo magn\u00e9tico permanente, suficientemente peque\u00f1o para poderlo construir dentro de ellas y que les sirva para orientarse en el campo geomagn\u00e9tico mientras nadan.<\/p>\n<p>Las nanopart\u00edculas magn\u00e9ticas de las bacterias han sugerido numerosas aplicaciones, las m\u00e1s inmediatas centradas en sistemas de impresi\u00f3n y registro de datos. Una revisi\u00f3n excelente de las caracter\u00edsticas m\u00e1s interesantes del magnetismo de sistemas de nanopart\u00edculas puede verse en un art\u00edculo de Hernando y Gonz\u00e1lez (<span style=\"color: #99cc00;\">Hernando A., Gonz\u00e1lez A. (2000) Nanoestructuras magn\u00e9ticas: Un hito en el desarrollo de los materiales magn\u00e9ticos. En <em>Temas Actuales en Ciencia de Materiales<\/em> (A. Conde et al. Eds.). Univ. de Sevilla, 39-71<\/span>). Las dificultades para su comercializaci\u00f3n aparecen cuando se intenta producirlas a escala industrial. Se ha trabajado en desarrollar un procedimiento comercial para un cultivo ax\u00e9nico masivo de bacterias con magnetosomas. Parece ser que la producci\u00f3n m\u00e1xima est\u00e1 alrededor de 5 gramos de magnetita por cada 1000  litros.<\/p>\n<p>La inmovilizaci\u00f3n de sustancias bioactivas es otra posible utilizaci\u00f3n de los nanoimanes y, tambi\u00e9n, se ha especulado sobre su utilizaci\u00f3n para transportar y administrar f\u00e1rmacos agresivos mediante campos magn\u00e9ticos externos. En 1984, Schwartz y Blakemore patentaron el uso de las bacterias con magnetosomas para ensayos cl\u00ednicos, inmunoensayos, separaci\u00f3n de c\u00e9lulas y biosensores.<\/p>\n<p>Matsunaga y Kamiya, en 1987, ya destacaron las ventajas de las nanopart\u00edculas procedentes de las bacterias frente a las nanopart\u00edculas artificiales que, f\u00e1cilmente, forman agregados de 1000 a 2000 nm de di\u00e1metro y no son aptas para el transporte de f\u00e1rmacos (<span style=\"color: #99cc00;\">Matsunaga T., Kamiya S. (1987) Use of magnetic particles isolated from magnetotactic bacteria for enzyme immobilization. <em>Appl. Microbiol. Biotechnol.<\/em> <strong>26<\/strong>, 328-332<\/span>). Adem\u00e1s, dichos investigadores compararon la actividad de la glucosa oxidasa y de la uricasa asociadas a nanopart\u00edculas magn\u00e9ticas procedentes de bacterias y de nanopart\u00edculas magn\u00e9ticas artificiales y encontraron que la actividad en las primeras era 40 veces superior y que pod\u00edan reutilizarse hasta 5 veces, mientras que las sustancias bioactivas asociadas a part\u00edculas artificiales perd\u00edan el 80% de su actividad al cabo de cinco ciclos.<\/p>\n<p>Otros organismos unicelulares, en este caso algas, producen filigranas calc\u00e1reas que nos cautivan por su sorprendente belleza: los cocolitos, a los que dedicaremos el pr\u00f3ximo post de esta serie.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Manuel Elices Calafat (Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, F\u00edsicas y Naturales; National Academy of Engineering USA) En el post anterior de esta serie sobre nanotecnolog\u00eda habl\u00e1bamos del\u00a0autoensamblaje de mol\u00e9culas,\u00a0que caracteriza la formaci\u00f3n de materiales en los seres vivos. Los fabricantes de materiales cer\u00e1micos buscan procedimientos baratos y eficaces para producir polvos muy finos \u2014nanom\u00e9tricos\u2014 con el fin de elaborar cer\u00e1micas m\u00e1s fiables. Estos polvos tan finos se pueden sinterizar a temperaturas y presiones m\u00e1s bajas debido a su gran relaci\u00f3n superficie\/volumen. 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