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BIOTECNOLOGIA

Nanopartículas verdes

Plantas de la sabana se utilizan en la producción de nanosistemas destinados al control de patógenos y plagas agrícolas, entre otras aplicaciones

Hojas de pequi...

Fábio Colombini Hojas de pequi…Fábio Colombini

Cortezas, semillas, pulpas y hojas de árboles y plantas del cerrado, la sabana brasileña ‒tales como el pequi o nuez souari, cajuzinho-do-cerrado, mangabeira o hancornia, sucupira, bureré o brosimum y otras‒, además de varias especies de hongos, son las materias primas escogidas por investigadores Embrapa Recursos Genéticos y Biotecnología (Cenargen), empresa estatal con sede en Brasilia, para la obtención de nanopartículas con potencial para su utilización en biosensores para la detección de virus en plantas, control de larvas de insectos, microorganismos, células tumorales y otras aplicaciones. “Investigamos varias especies y recursos biológicos para hallar los más apropiados para la realización del proceso de biorreducción, enfocado en la producción de nanopartículas metálicas”, relata Luciano Paulino da Silva, coordinador del grupo de nanobiotecnología de Embrapa Cenargen. La biorreducción es un proceso biológico mediado por moléculas tales como las enzimas, proteínas, aminoácidos, polisacáridos y metabolitos que se encuentran en los extractos de corteza, semillas y hojas, por ejemplo, que transforma el ión de plata (cuando hay ganancia de electrones) en plata metálica, derivando en la formación de nanopartículas. Una gran ventaja del método de síntesis biológica en lugar del proceso químico tradicional radica en que parte de las moléculas activas también adhiere a la superficie de esas nanopartículas, lo cual les confiere características únicas tales como actividad antibacteriana, antiviral o antialérgica, dependiendo del vegetal u hongo utilizado. “Ese método de síntesis de nanopartículas se denomina nanotecnología verde”.

El extracto acuoso de la cáscara de la castaña del cajuzinho-do-cerrado (Anacardium othonianum), una planta arbustiva, fue el medio elegido por la investigadora y estudiante de doctorado Cinthia Caetano Bonatto, de la Universidad de Brasilia (UnB), para estudiar una ruta de síntesis alternativa a los solventes nocivos para el ambiente, como  por ejemplo, el hidróxido de sodio, que se utilizan en el método tradicional. Durante la investigación llevada a cabo en su doctorado, bajo la supervisión de Luciano Silva, de Embrapa Cenargen, ella verificó que, durante el proceso de síntesis, las temperaturas más elevadas aceleran el crecimiento, modulan el tamaño y elevan la conductividad eléctrica de las nanopartículas, que en los test, revelaron poseer propiedades antifúngicas. “las partículas presentan propiedades ópticas, estructurales, biológicas y eléctricas controladas por la temperatura a la que el medio reactivo se ve sometido durante la síntesis”, dice Luciano Silva. Los resultados fueron publicados en la revista Industrial Crops and Products, en julio de este año.

La misma estrategia de utilización de temperaturas mayores en el proceso de síntesis se empleó en otra investigación realizada por Bonatto, con hojas del pequi (Caryocar brasiliense). “El extracto acuoso de pequi posee, en comparación con otras plantas testeadas en laboratorio, un gran potencial como biorreductor”, dice la investigadora. Luego de realizar su síntesis y caracterización, incluyendo el análisis de sus propiedades estructurales ‒por medio del tamaño y forma‒ del nanomaterial obtenido, los investigadores pueden conocer cuáles son las mejores aplicaciones para las nanopartículas. “En el sector agrícola, por ejemplo, podemos desarrollar nanosistemas para el control de patógenos y plagas, incluyendo bacterias, hongos y larvas de insectos”, dice Luciano Silva. “Las estrategias de utilización serán evaluadas de acuerdo con su necesidad de aplicación”. Para la captura de plagas tales como escarabajos o cigarritas, por ejemplo, los nanosistemas podrán colocarse dentro de trampillas en el campo. En el caso de los hongos que atacan las hojas, la aplicación de las nanopartículas puede realizarse mediante pulverización o bien, si el ataque fuera en la raíz, directamente sobre el suelo o en el tejido vegetal.

...cáscara del cajuzinho-do-cerrado...

Cínthia Bonatto…cáscara del cajuzinho-do-cerrado…Cínthia Bonatto

Pruebas en el laboratorio
En el caso de la investigación con hojas de pequi, se están llevando a cabo ensayos en laboratorio para evaluar su potencial biotecnológico. “Analizamos la posible citotoxicidad de las nanopartículas en bacterias, hongos, células normales y cancerígenas de mamíferos in vitro, en nemátodos para control de plagas y ahora comenzamos con test en cultivos de plantas en laboratorio para evaluar su potencial efecto tóxico si se las utilizara en el campo”, relata Bonatto. Ella subraya que visualmente no se observaron alteraciones en las plantas sanas tratadas con nanopartículas de pequi en comparación con las plantas de control, que no recibieron el tratamiento. Como se las cultiva en laboratorio, dentro de recipientes, la aplicación se realiza directamente en el medio de cultivo líquido. El paso siguiente de la investigación consiste en un análisis morfológico y bioquímico de las plantas, que abarca el análisis de células y del metabolismo, para saber si ellas sufrieron algún efecto tóxico.

Algunas partículas presentan una particularidad que las hace especiales, según refiere Luciano Silva, porque evidencian una diferencia en la señal denominada resonancia de plasmones superficiales. “Como se trata de partículas nanoestructuradas, ellas acaban adquiriendo nuevas propiedades ópticas y una de ellas es la absorción de la luz por medio de la plata metálica en una longitud de onda que el metal, en su variante iónica, no absorbía previamente”. Esa diferencia les confiere la propiedad de amplificar la señal óptica en los sistemas donde se las utiliza, dotándolos de mayor sensibilidad. “Basándonos en esa característica singular, estamos trabajando en el desarrollo de nanobiosensores para la detección de hormonas de crecimiento y de células tumorales, además de virus en plantas”.

Otra línea de investigación conducida en el laboratorio consiste en la utilización de nanopartículas en superficies tales como plástico o vidrio. En ese caso, el estudio desarrollado por Luciane Dias da Silva, maestranda supervisada por Luciano Silva, se enfoca en la síntesis de nanopartículas de plata a partir de extractos de frutos y hojas de mangabeira (Hancornia speciosa) para su aplicación en superficies plásticas tales como el politereftalato de etileno, más conocido por su sigla en inglés, PET. El objetivo radica en la búsqueda de un método alternativo para el control de las larvas del mosquito Aedes aegypti, que transmite el dengue. Ese control se realizaría sin necesidad de captura, sino mediante la toxicidad de las nanopartículas para las larvas depositadas en el PET. Las posibilidades de aplicación de ese método contemplan el uso de partículas en suspensión en un medio líquido o bien, la inmovilización y adhesión de parte de esas partículas sobre la superficie plástica, que ocurren durante el proceso de síntesis. Los extractos de los frutos de la mangabeira (mangaba) se obtuvieron a partir de la cáscara, la pulpa y la semilla, en forma separada. “Las nanopartículas obtenidas de la sal de plata juntamente con sus respectivos extractos se encuentran en la etapa final de caracterización y ya se han realizado algunos ensayos biológicos”, relata Dias da Silva. La fase siguiente consistirá en la utilización de tubos plásticos con los que se fabrican botellas, denominados premoldeados PET, para la inmovilización y adhesión de las nanopartículas.

frutos de la mangabeira son las materias primas empleadas en la síntesis biológica

Fábio Colombini frutos de la mangabeira son las materias primas empleadas en la síntesis biológicaFábio Colombini

Compuestos bioactivos
Más allá de las plantas del cerrado, el grupo también está estudiando varias especies de macrohongos (setas). “Las setas son fuentes de compuestos bioactivos que presentan diversas actividades biológicas, tales como efecto antitumoral, antiviral, antimicrobiano, antiinflamatorio, antioxidante, entre otras”, dice la investigadora Vera Lúcia Perussi Polez, quien trabaja con especies provenientes del Banco de Setas de Embrapa Cenargen. “Por eso decidimos utilizar ese material como fuente, tanto para la reducción de los metales como para estabilizar las nanopartículas”. La fuente biológica para la síntesis de nanopartículas de plata puede ser tanto el cuerpo fructífero, el conocido sombrero, como el micelio, que es el cuerpo vegetativo del hongo.

La elección de la investigadora recayó sobre el micelio, porque según su análisis, el mismo presenta ventajas en relación con el cuerpo fructífero, tales como un crecimiento más rápido. “Además, la producción de los componentes químicos presentes en el micelio es más homogénea, porque trabajamos bajo condiciones controladas en el medio de cultivo líquido, como es el caso de los nutrientes, pH, temperatura, oxigenación, entre otras.  Así logramos mantener la reproductibilidad de ese material biológico”, dice. La cantidad de compuestos químicos presentes en esos organismos depende de factores tales como la especie y la selección de linajes, la fase de desarrollo ‒cuerpo fructífero o micelio‒ y el tipo de sustrato utilizado.

070-073_Nanoverde_223La investigación para la obtención de nanopartículas de las setas comenzó hace dos años. “Elaboramos un diseño experimental de manera tal que se mantuviera el material biológico reproductible en la forma más homogénea posible”, relata Perussi. Luego de perfeccionar las condiciones de crecimiento de los micelios, de la síntesis de nanopartículas y de sus caracterizaciones físicas, químicas y estructurales, la investigación ingresará ahora en la fase de caracterización de las actividades biológicas de las nanopartículas. Tal cuidado se explica por el gran potencial de aplicación farmacéutica, medicinal, agrícola e industrial de los compuestos presentes en las setas. Entre los compuestos bioactivos se encuentran los betaglucanos, carbohidratos complejos con propiedades antitumorales e inmunorregulatorias, los triterpenos, sustancias con actividad antihipertensiva, antiviral, antitumoral y antialergénica, los fenólicos, compuestos con actividad antiplaquetaria, antioxidante y antiinflamatoria, además de otros con efecto antimicrobiano.

Más allá de los investigadores de Embrapa y alumnos de iniciación científica, maestría y doctorado, el grupo cuenta con la colaboración de investigadores de otras instituciones, como son el profesor Elmo Salomão Alves, del Departamento de Física de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG). “El grupo liderado por el profesor Alves desarrolla las superficies que contienen grafenos [la forma cristalina del carbono], en las cuales se incorporan las moléculas de reconocimiento, tales como anticuerpos y ligantes de receptores, y se depositan en las nanopartículas de plata para la producción de nanobiosensores”, dice Luciano Silva. Otros colaboradores en las investigaciones son los profesores Eduardo Fernandes Barbosa, de la Universidad Federal de Bahía (UFBA), especialista en enzimología, y Alexsandro Galdino, de la Universidad Federal de São João Del-Rei (UFSJ), experto en genética molecular de microorganismos.

Micelios (coloreados por computadora), la fase vegetativa de las setas, producidos en un medio de cultivo controlado

Archivo personal Vera Lúcia Perussi PolezMicelios (coloreados por computadora), la fase vegetativa de las setas, producidos en un medio de cultivo controladoArchivo personal Vera Lúcia Perussi Polez

“Estamos trabajando en el desarrollo de superficies nanoestructuradas para la inmovilización de enzimas que pueden aplicarse en la industria para la obtención de hidrolizados alimenticios a partir de macromoléculas tales como proteínas y carbohidratos, en un proceso denominado catálisis enzimática”, dice Luciano Silva. En su opinión, esas enzimas aún no se aplican a gran escala en función del alto costo operativo que requiere su empleo. “Mediante el proceso de inmovilización, ese costo se reduciría bastante”, explica.

Otro modelo de síntesis biológica que ha sido testeado con buenos resultados son las partículas poliméricas estructuradas a partir del quitosano, una sustancia extraída del caparazón de crustáceos, para el transporte tanto de macromoléculas como de metabolitos secundarios con posible aplicación en biomedicina y en la industria agropecuaria. “Una de las moléculas que transportamos en ese sistema polimérico es la melitina, un aminoácido que se extrae del veneno de la abeja, con actividad antibacteriana, antifúngica y anticancerígena”, dice Luciano Silva. En el modelo ensayado por la alumna de doctorado Kelliane Almeida de Medeiros, se investigaron in vitro los efectos de partículas poliméricas que contienen melitina sobre células tumorales de cáncer de mama. Actualmente se están realizando los primeros test en ratones con resultados prometedores.

Artículo científico
BONATTO, C. C., SILVA; L. P. Higher temperatures speed up the growth and control the size and optoelectrical properties of silver nanoparticles greenly synthesized by cashew nutshells. Industrial Crops and Products. v. 58, p. 46-54. jul. 2014.