Los Bacteriófagos en la obtención de anticuerpos a bajo costo (SPY-DISPLAY)
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UTEC
Los bacteriófagos tienen un gran potencial como sistema de expresión de componentes. Desde hace décadas se emplea a los fagos para el desarrollo de nuevos antimicrobianos, anticuerpos monoclonales y recientemente el desarrollo de nuevos biomateriales. El bacteriófago mas empleado para dicho fin es el fago filamentoso M13; cuya estructura permite combinar las proteínas de su superficie con proteínas de interés presentadas. El virus M13 tiene la capacidad de infectar a cepas de Escherichia coli cepas que muestran el F-pilus [1]. Posee ADN de cadena sencilla con una cápside compuesta por la proteína PVIII y cuatro proteínas de cubierta menores (PIII, PVI, PVII y PIX). Posee 2700 copias de la proteína PVIII que conforman el cilindro principal, y cinco copias de la proteínas PIII y PVI y PVII y PIX en sus extremos. Las proteínas PVIII y PIII son las más comúnmente empleadas para realizar el procedimiento conocido como despliegue de bacteriófagos o “phage display” [1,2].
El desarrollo de anticuerpos depende de una cuidadosa selección de la afinidad antígeno/anticuerpo. Usualmente una biblioteca de variantes de anticuerpos se inserta genéticamente al vector conteniendo el genoma viral en donde se fusiona la proteína gp3 (PIII) de la cubierta del bacteriófago M13 al péptido o anticuerpo. La selección in vitro permite realizar rondas de filtración de bacteriófagos para seleccionar aquellos que poseen una alta afinidad por la molécula blanco (antígeno). La selección se produce mediante el “biopanning”; una unión in vitro antígeno-anticuerpo empleando el método de ELISA, “phage display”[1-3].
La eficiente selección depende de la alta afinidad del péptido (antígeno) adherido a la placa de ELISA y el anticuerpo fusionado a PIII y parte de la estructura de la cubierta del fago M13. En la Figura 1 se muestra el procedimiento “biopanning” de cuatro etapas. Inicialmente, la creación del fagémido por tanto la biblioteca que permite expresar las variantes de anticuerpos en el virus M13. La segunda etapa el procedimiento de selección mediante un ELISA, en donde una péptido o antígeno se inmoviliza en la placa a la cual se exponen los bacteriófagos purificados.
El siguiente proceso de lavados permite descartar a aquellos que poseen una baja o nula afinidad mediante una elución. Los bacteriófagos eludidos son amplificados en Escherichia coli, para recuperar el material genético mediante una extracción de plásmidos. Los plásmidos (famégidos) aislados se emplean para realizar una siguiente ronda en el proceso o “biopanning”. Este procedimiento se realizar 2 – 4 veces para lograr encontrar anticuerpos con una alta afinidad [2,3].
Figura 1. Etapas de selección de bacteriófagos por “Biopanning” [1,2].
Los procedimientos anteriores son laboriosos y no se produce un monitoreo cuantitativo de la afinidad antígeno-anticuerpo en el proceso. Idealmente, el proceso de selección de nuevos anticuerpos se beneficiaria de un monitoreo en cada ronda de “panning”; de modo que permita reducir costos y concentrar esfuerzos en las moléculas con alta afinidad y más prometedoras [1].
Se propone emplear la tecnología de “pegamento molecular” para acoplarla al sistema de despliegue de bacteriófagos. Los péptidos que realizan bionconjugación en la naturaleza tienen la capacidad de unir covalentemente dos proteínas. Un ejemplo son los péptidos SpyTag y SpyCatcher los cuales reaccionan espontáneamente mediante sus residuos de aspártico y lisina, respectivamente [2, 3]. Aprovechando al pegamento molecular se puede fusionar proteínas como anticuerpos con la estructura del bacteriófago M13. La propuesta conocida como “spy-display” que se describe en la Figura 2 [3], permite fusionar posterior a la expresión de la biblioteca a la proteína PIII con el anticuerpo mediada por SpyTag/SpyCatcher.
Lo anterior ofrece las siguientes ventajas: A) Se evitan los inconvenientes de ensamblaje de fago M13 por tamaños excesivo de proteínas fusionadas a PIII. B) El plásmido fagemido solo contiene las proteínas del M13, mejorando la producción viral. Mientas que un segundo plásmido de expresión se emplea para la expresión de los anticuerpos. C) Se pueden analizar anticuerpos de tamaño mayor a los de cadena sencilla. D) El sistema es modular y se podría añadir un fluoróforo, proteína biomarcador o enzima para monitorear la señal de la unión de los anticuerpos para decidir específicamente que población emplear para realizar la amplificación [3].
Figura 2. Sistema Spy-Display para desarrollo de anticuerpos. A) Componentes de la fusión covalente por bioconjugación (SpyTag / SpyCatcher). B) Fusión del anticuerpo (biblioteca) a la estructura del bacteriófago M13. El sitio de corte proteolítico TEV permite remover el anticuerpo seleccionado por despliegue de fagos.
Frecuentemente, durante la selección in vitro de biomoléculas se obtiene falsos positivos. Lo anterior eleva los costos y reduce la eficiencia de los métodos. En el caso del despliegue de anticuerpos, las bibliotecas poseen muchas veces versiones truncadas que se produce durante la maduración del fago M13 en la membrana. El sistema planteado Spy-display permite una producción y maduración intacta del virus M13 produciendo una versión “wild type” la cual es fusionada post-traduccionalmente a la biblioteca de anticuerpos. Se obtiene un población viral más robusta y niveles de infección mayores. Por lo tanto, el sistema muestra una prometedora manera de identificar nuevos anticuerpos y diseñar variantes de anticuerpos o sintéticos que pueden representar una contribución para pruebas de terapias mas eficaces o ensayos de detección rápida de virus en ensayos de bajo costo [2-4].
Referencias
1.- Passaretti, P., Khan, I., Dafforn, T.R. et al. Improvements in the production of purified M13 bacteriophage bio-nanoparticle. Sci Rep 10, 18538 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-75205-3
2.- Fierle, J.K., Abram-Saliba, J., Brioschi, M. et al. Integrating SpyCatcher/SpyTag covalent fusion technology into phage display workflows for rapid antibody discovery. Sci Rep 9, 12815 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-49233-7
3.- Kellmann SJ, Hentrich C, Putyrski M, Hanuschka H, Cavada M, Knappik A, Ylera F. SpyDisplay: A versatile phage display selection system using SpyTag/SpyCatcher technology. MAbs. 2023 Jan-Dec;15(1):2177978. doi: 10.1080/19420862.2023.2177978
4.- Qi H, Lu H, Qiu HJ, Petrenko V, Liu A. Phagemid vectors for phage display: properties, characteristics and construction. J Mol Biol. 2012;417(3):129–43. doi: 10.1016/j.jmb.2012.01.038.
El grafeno en la Nanotecnología
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UTEC
El grafeno es un material versátil que permite fabricar desde dispositivos con pantallas flexibles y transparentes hasta potentes paneles solares, además tiene aplicaciones en diferentes industrias como aeronáutica, medicina y otros sectores que se investigan en la actualidad. Es por ello que es considerado un nanomaterial muy eficaz.
El discurso del físico Richard Feynman de 1959 “There’s Plenty of Room at the Bottom” es considerado como punto de partida en la investigación de la nanotecnología, pues se explica la probabilidad de que los átomos puedan ser manipulados directamente [1]. Feynman evoca un posible campo de investigación que entonces era inexplorado: lo extremadamente pequeño, el mundo de la nanoescalas.
A lo largo del tiempo se han desarrollado y alcanzado grandes avances entorno a la ingeniería química y nanotecnología como en 1985 se realizó el descubrimiento de los “Fullerenos” una nueva forma de carbono que revolucionaría la nanotecnología, a cargo de Los químicos Robert Curl, Sir Harold Kroto y Richard Smalley [2]. Otro avance significativo en 1991 fue la “Síntesis de Nanotubos de Carbono”, una de las estructuras más fundamentales de la nanotecnología, los cuales fueron sintetizados por los químicos Sumio Iijima y Thomas Ebbesen [3].
La creación de uno de los materiales más extraordinarios se dio en 2004 por los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov, que aíslan y caracterizan por primera vez el “grafeno” [4], una lámina de carbono de un solo átomo de espesor con propiedades extraordinarias. Las posibilidades y utilidades del grafeno se extienden hacia varias ramas como:
Electrónica Avanzada: El grafeno es un conductor eléctrico excepcional debido a su estructura de red de carbono de un solo átomo de espesor. Puede revolucionar la electrónica al permitir dispositivos mucho más pequeños y eficientes.
Materiales Compuestos: El grafeno puede ser integrado en polímeros, metales y otros materiales para mejorar sus propiedades mecánicas, conductivas y térmicas.
Aplicaciones Médicas: Puede utilizarse en sistemas de administración de fármacos, en biosensores y en imágenes médicas.
Filtros y Membranas: Debido a su estructura de red de átomos de carbono, el grafeno puede filtrar partículas extremadamente pequeñas, lo que lo hace útil en aplicaciones de purificación de agua y aire.
Aunque el grafeno tiene un potencial increíble gracias a su propiedades físicas y químicas, existen desafíos en su producción a gran escala y en la integración efectiva en aplicaciones comerciales. Por lo que dichas áreas son campos de investigación activa y la Ingeniería Química está abriendo nuevas fronteras en la creación de materiales a nivel nano, y los resultados son extraordinarios. Desde aplicaciones médicas revolucionarias hasta avances en la electrónica y la construcción, estos materiales están cambiando la forma en que vivimos y trabajamos.
Referencias bibliográficas
[1] R. Feyman, “There's Plenty of Room at the Bottom”, Caltech Eng And Sci. Feb, pp. 22-26, 1960. [Online]. https://calteches.library.caltech.edu/47/3/ES.23.5.1960.0.pdf. [Accessed: 19 -sep-2023]
[2] O. Vasilievna and U. Ortiz, “La estructura del fullereno C60 y sus aplicaciones”, Ciencia UANL, Vol. 5, no. 4, pp. 475-479, 2002. [Online]. https://www.redalyc.org/pdf/402/40250407.pdf. [Accedido: 18 -sep-2023]
[3] M. Maubert, S. Soto, C. León and M. Flores, “Nanotubos de carbono - la era de la nanotecnología”, Razón y Palabra, no. 68, 2009. [Online]. https://www.redalyc.org/pdf/1995/199520297017.pdf. [Accedido: 19 -sep-2023]
[4] A. Geim and K. Novoselov, “The rise of graphene”, Naturaleza Mater Vol. 6, no. 3, pp. 183-191, 2007. https://doi.org/10.1038/nmat1849. [Accessed: 17 -sep-2023]
Obtención de fertilizante orgánico a partir de subproducto de caña de azúcar
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UTEC
Investigadores del College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, de China, han realizado un estudio con la torta resultante del proceso de filtración de la caña de azúcar (SFC), para la obtención de un fertilizante orgánico. La importancia de este estudio se basa en que además de utilizar un residuo como materia prima, se encontró que este producto permite la absorción de algunos metales pesados.
Si bien los SFC contienen sacarosa en alta concentración, además de fibra, proteína cruda entre otros, que podrían ser atractivos como subproductos promoviendo de esta manera la economía circular, presentan características que limitan su aplicación. Así por ejemplo contienen alta concentración de agua, largo tiempo de humidificación y mal olor por lo que su uso se ve restringido. Para este estudio, hicieron reaccionar los SFC con el producto obtenido previamente de la activación del persulfato de potasio (PS), con hidróxido de calcio (CH), denominado PS-CH, el efecto de esta activación en el SFC permitió obtener un fertilizante orgánico (CH-PS/SFC) en cuya composición se detectó una alta concentración de sustancias con propiedades similares al ácido fúlvico (FLA). En cuanto a los resultados obtenidos, se observó que, durante el proceso de humidificación de la sacarosa, hubo cambio de color entre el SFC inicial que era color verde oscuro a amarillo, debido probablemente a la presencia de FLA en el producto (CH-PS/SFC). Por otro lado, la temperatura máxima durante este proceso fue de 80.3°C en 20 minutos, es decir se logró a menor tiempo comparado con el compostaje tradicional. Asimismo, la humedad de SFC se redujo en un 20% debido a la alta temperatura de humificación causada por CH-PS. Por otro lado, luego del proceso de activación se observó que el pH del SFC aumentó de 8 a 13, sugiriendo que el producto final podría ser utilizado para remediar la contaminación debido a suelos ácidos.
En cuanto al contenido de FLA se incrementó luego de la activación del SFC con CH-PS de 102.5 mg/g a 316.8 mg/g. También observaron mejoras en la cantidad de potasio (K) y el contenido de materia orgánica en el producto, cumpliendo con los estándares internacionales para fertilizantes orgánicos.
Este producto fue probado con plántulas de col china, utilizando una maceta de plástico a la cual se le colocó suelo contaminado con sustancias ácidas (pH 4.8), encima se esparció el producto (CH-PS/SFC) y finalmente se colocó la col china. El experimento se realizó en un invernadero con una humedad relativa de 70%, 12 horas de luz al dia y a 25°C, cada 3 días se roció una solución de metales pesados (Cu(II), Pd(II) y Cd(II)) de 2ppm de concentración. Luego de 25 dias de estudio lograron observar que con el CH-PS/SFC mejoró el crecimiento de esta planta, redujo la cantidad de hojas amarillas, se incrementó el contenido de clorofila y disminuyó la absorción de metales pesados.
Figura (A) Fotografía del SFC y CH-PS/SFC. (B) Cambios de temperatura con el tiempo durante el proceso de humificación de SFC. (C, D) Contenido de FLA, contenido de materia orgánica, pH y humedad en SFC y CH-PS/SFC.
Fuente: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c03511
La importancia de los simuladores para minimizar el uso de animales en la medicina
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UTEC
Un debate que se ha ido intensificando en los últimos años a través de películas, spots publicitarios, artículos periodísticos, etc., ha sido el uso de animales en experimentos científicos, ya que estos son expuestos al dolor, angustia y muerte para los avances en la investigación y desarrollo de las diferentes ramas que incluyen el uso de la tecnología médica [1].
Respecto a este asunto, la Asociación Médica Mundial (AMM), presentó la declaración de Helsinki en 1964 titulada: “Principios éticos para las investigaciones médicas en seres humanos”, de tal manera que sirva como guía a la comunidad médica que se dedica a la experimentación en seres humanos y animales [2]. En ella se declara: “El bienestar de los animales utilizados para la investigación debe ser respetado” [3], sin embargo, asociaciones como Doctos Against Animal Experiment aducen que estas prácticas no son solamente no éticas, sino también altamente inefectivas en la investigación médica [4].
Ante estos problemas, se ha planteado una estrategia de 3 Rs (reducción, refinamiento y reemplazo) a partir de los cuales se desarrollaron métodos muy interesantes como alternativa a estas prácticas. Por ejemplo, los modelos computacionales como los softwares de Diseño de fármacos asistido por computadora (CADD) para predecir el sitio de unión a un receptor biológico de una posible molécula de fármaco, lo cual evita realizar pruebas con sustancias químicas no deseadas que no tienen actividad biológica [1].
Figura 1. Proceso de descubrimiento de fármacos con el método tradicional (izquierda) y a partir de software CADD (derecha). Fuente: Prajapat et al. iMedPub Journals.
Por otro lado, la fabricación de simuladores de entrenamiento médico ha sido importante para reducir este problema en países en desarrollo, ya que normalmente se exigía a los estudiantes de medicina que practiquen cortes y secciones en los pechos, garganta, abdomen o extremidades de perros, cerdos, cabras u ovejas vivas. Como muestra de esto, diversos sistemas como TraumaMan de Simulab han demostrado que los médicos que aprenden habilidades quirúrgicas con su uso son más competentes debido a que pueden repetir los procedimientos hasta que se sientan más confiados [5].
Figura 2. Simulador Traumaman de Simulab in-situ. Fuente: Healthy Simulation
También se han propuesto otras ideas como el uso de chips microfluídicos como el proyecto “VISION” que consiste en la combinación de un sistema de cultivo de órganos microfluídicos (in vitro) y análisis bioinformáticos (in silico) de los mecanismos de ciertas enfermedades. Esta fue desarrollada principalmente para estudios toxicológicos de inhalación, lo que podría reducir las pruebas con animales en investigaciones regulatorias. De esta manera el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica IBMT se ha propuesto desarrollar y optimizar sistemas in vitro como modelos hepáticos y pulmonares para determinar los efectos específicos de contaminantes o agentes terapéuticos después de la absorción pulmonar en el organismo [6].
Figura 3. Sistema de chip microfluídico para el cultivo de diferentes modelos celulares. Fuente: Fraunhofer IBMT.
En conclusión, aunque todavía hay muchas personas que creen que el uso de animales en la investigación, es necesario que los avances de la tecnología puedan sustituir estas prácticas de tal manera que se conserve realmente el bienestar de los animales, pues a pesar de que existan lineamientos éticos formulados por entidades internacionales, estos no funcionan en su totalidad.
Referencias:
[1] Doke, Sonali K. y Shashikant C. Dhawale. Alternatives to animal testing: A review. Saudi Pharmaceutical Journal [en línea]. 2015, 23(3), 223–229 [consultado el 13 de octubre de 2023]. ISSN 1319-0164. Disponible en: doi:10.1016/j.jsps.2013.11.002
[2] Asociación Médica Mundial (AMM). Declaración de Helsinki de la AMM - Principios éticos para las investigaciones médicas en seres humanos [en línea]. Helsinki, junio de 1964 [consultado el 12 de octubre de 2023]. Disponible en: https://www.wma.net/es/policies-post/declaracion-de-helsinki-de-la-amm-principios-eticos-para-las-investigaciones-medicas-en-seres-humanos/
[3] Archer, Stephen. Animals in Biomedical Research: what they have given us and what we owe them. Department of Medicine of Queens University [en línea]. 29 de junio de 2015 [consultado el 12 de octubre de 2023]. Disponible en: https://deptmed.queensu.ca/dept-blog/animals-biomedical-research-what-they-have-given-us-and-what-we-owe-them
[4] Neumann, Gaby. Argumentos científicos contra la experimentación animal. Asociación Defensa Derechos Animal [en línea]. 9 de agosto de 2018 [consultado el 12 de octubre de 2023]. Disponible en: https://alternativaexperimentacionanimal.addaong.org/argumentos-cientificos-contra-la-experimentacion-animal/
[5] El Correo. Simuladores para acabar con la experimentación en animales. El Correo [en línea]. 21 de enero de 2014 [consultado el 12 de octubre de 2023]. Disponible en: https://www.elcorreo.com/innova/investigacion/20140116/peta-simuladores-201401161410-rc.html
[6] Kohl, Yvonne. VISION - A microfluidic chip system as an alternative to animal experiments [comunicado de prensa]. Sulzbach, 13 de junio de 2020 [consultado el 12 de octubre de 2023]. Disponible en: https://www.ibmt.fraunhofer.de/en/ibmt-press-releases/press-BMBF-Vision-2020-07-13.html
[7] Prajapat, Prakash, Shikha Agarwal y G. L. Talesara. Significance of computer aided drug design and 3D QSAR in modern drug discovery. iMedPub Journals. 2017, 1(1).
[8] Healthy Simulation. About Simulab - TraumaMan Surgical Simulators & More. HealthySimulation [en línea]. [sin fecha] [consultado el 12 de octubre de 2023]. Disponible en: https://www.healthysimulation.com/simulab/
Del Nobel a la jeringa: ¿Cómo impactaron al desarrollo de vacunas los ganadores del Premio Nobel de Medicina 2023?
Escrito por:
UTEC
Autor: Jean Colmenares revisado por Ursula Rodríguez.
Este año fueron galardonados los científicos Katalin Karikó y Drew Weissman con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus descubrimientos que permitieron el desarrollo de vacunas de ARN mensajero (ARNm) efectivas contra la COVID-19 [1]. Veamos en este artículo cómo la ciencia detrás de la técnica de modificación de ARNm llega a ser aplicada de manera rápida en uno de los bioprocesos que salvó a la humanidad:
Experimentos con descubrimientos sin precedentes
La Dra. Katalin Karikó, bioquímica húngara, trabajaba como profesora auxiliar en la Universidad de Pensilvania en 1990 cuando decidió estudiar cómo la molécula de ARNm puede servir como un agente terapéutico ante diferentes enfermedades sin producir respuestas inflamatorias, dado que hasta esa fecha las evidencias científicas demostraban lo contrario. El ARN es una molécula biológica sintetizada en las células de cualquier organismo vivo a partir de su molécula análoga, el ADN, mediante un proceso llamado transcripción. Posteriormente, este ARN pasa por una serie de modificaciones a nivel molecular cuyo objetivo es darle estabilidad para luego ser transportado a los ribosomas como ARNm (m de mensajero) y producir proteínas en otro proceso molecular llamado traducción. En la misma Universidad, la Dra. Karikó se encontró con el Dr. Drew Weissman quien también estaba interesado en el comportamiento de un tipo de célula inmunitaria específicamente importante durante la activación de la respuesta inflamatoria inducida por vacunas.
Los dos investigadores trabajaron arduamente y para la primera década de los 2000 tuvieron resultados demostrando que el ARNm sintetizado in vitro y, con algunas modificaciones en su estructura molecular, era capaz de generar proteínas en una mayor proporción sin ocasionar una respuesta inflamatoria (Ver Fig. 1). Estos hallazgos permitieron el desarrollo de tecnologías tales como vacunas, y las primeras vacunas en utilizar esta tecnología de ARNm fueron aplicadas para el combate del virus Zika y las del MERS-CoV. La más nueva aplicación de la terapia con ARNm fue plasmada en las vacunas Pfizer-BioNTech y Moderna.
Figura 1. Influencia del ARNm modificado en la respuesta inmune de las células inmunitarias. Fuente: [1]
Del laboratorio a la industria
Si bien estos hallazgos permitieron el desarrollo de las vacunas en un laboratorio de investigación, ¿cómo se desarrolla su producción en masa para cubrir las necesidades de, por ejemplo, la población mundial durante la pandemia por COVID-19? En este sentido, el artículo: “Modelamiento y Evaluación Técnica Económica de un Proceso de Manufactura a Gran Escala de Vacuna Basada en ARNm usando SuperPro Designer” [2] demuestra cuáles serían los factores en los que los ingenieros químicos aportan para implementar bioprocesos y optimizarlos con el fin de masificar la producción, en este caso, de vacunas cumpliendo las Buenas Prácticas de Manufactura (BMP). Veamos de forma bastante simplificada cómo se lleva a cabo un proceso industrial para producir vacunas con tecnología de ARNm:
En primer lugar, se introduce la molécula de ADN junto con enzimas en condiciones dadas a un biorreactor de movimiento oscilante, donde se lleva a cabo la transcripción del ADN al ARNm. Luego, se procede a ejecutar las operaciones de filtración tangencial, cromatografía de afinidad y precipitación de la solución de cloruro de litio para eliminar las impurezas y se purifica el ARNm junto con enzimas y proteínas que llevan a cabo las modificaciones necesarias para luego ser purificado por métodos avanzados como cromatografía con oligonucleótidos y filtración con membranas especiales. Por último, se lleva el ARNm purificado a la nanoencapsulación en donde, con ayuda de dispositivos de microfluidos, se mezcla el ARNm con soluciones de etanol con lípidos para formar nanopartículas lipídicas obteniendo finalmente ARNm listo para codificar las proteínas necesarias. Esta solución es nuevamente purificada y envasada en la etapa de formulación con compuestos coadyuvantes para su uso como vacuna ante enfermedades (Figura 2).
Figura 2. BFD del proceso de manufactura de las vacunas de ARNm. Adaptado de [2].
Los ingenieros químicos son capaces de contribuir en proyectos multidisciplinares como estos desde las etapas de laboratorio, como en la producción en bioreactores de sustancias terapéuticas, hasta la conceptualización, el análisis, la optimización y la evaluación económica de procesos. Junto con los bioingenieros y profesionales de biotecnología, son el equipo ideal para llevar a la práctica lo que los descubrimientos científicos más relevantes, para resolver los desafíos complejos en este caso representado por la Pandemia derivada de la enfermedad COVID-19.
Referencias
[1] The Nobel Prize. ‘‘The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2023’’ NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2023/summary/ (accessed Oct. 19, 2023)
[2] R. Da Gama & D. Petrides. "Messenger RNA (mRNA) Vaccine Large-Scale Manufacturing - Process Modeling and Techno-Economic Assessment (TEA) using SuperPro Designer." ResearchGate, 2023. Available: https://www.researchgate.net/publication/356474248_Messenger_RNA_mRNA_Vaccine_Large_Scale_Manufacturing_-_Process_Modeling_and_Techno-Economic_Assessment_TEA_using_SuperPro_Designer . (accessed Oct. 19, 2023)
NOS POSICIONAMOS COMO PIONEROS EN ELECTROMOVILIDAD DESDE LA ACADEMIA EN PERÚ
Escrito por:
UTEC
Richard Hodge, cofundador y consultor estratégico en Ohm Formula Racing, conversa sobre la motivación del equipo para participar en el evento internacional Formula SAE. Asimismo, se refiere al desarrollo de la industria automotriz en el Perú, entre otros puntos.
- ¿Cómo nace el proyecto de fabricar automóviles eléctricos de competencia y con qué finalidad se decidió hacer un proyecto como este en un país como el Perú?
La idea nace con un compañero casi 7 años atrás. Teníamos compañeros de mayores años en UTEC que habían fundado el Capitulo Estudiantil de SAE en UTEC y nos comentaron de las competencias de vehículos tipo Formula Student que se daban en el mundo. Tuvimos la oportunidad de conversar con uno de los profesores de UTEC que había tenido participación desarrollando este tipo de vehículos en Venezuela y también conocimos un vehículo que se había desarrollado la UTP años atrás. Esto nos llevó a interesarnos más en la competencia y a cuestionarnos ¿cómo lo hacemos? ¿Se puede? Como equipo buscamos sumarnos a la iniciativa, contribuir a la investigación y desarrollo de vehículos de competicia, pero apuntando a ir a competir internacionalmente. De esta manera podemos posicionarnos en el país como un equipo capaz de desarrollar un proyecto ambicioso, de alto estándar ingenieril y con una pasión que nos mueve.
En el Perú, el desarrollo automotriz como industria o como investigación es mínimo, pero no nulo. Siempre hay gente apasionada con ganas de enfrentarse a retos altos como este. Con la transición hacia la electromovilidad que recién se daba en el mundo años atrás y los nuevos retos y dudas que traía consigo, se optó por redireccionar el proyecto y apuntar a un vehículo tipo Formula Student 100% eléctrico. Esta es nuestra forma de acelerar esta transición desde una perspectiva académica. La respuesta corta y real a ¿por qué en Perú? es porque el Perú lo requiere, porque tenemos la capacidad para hacerlo y porque podemos. La escalabilidad de estos proyectos es alta y participando demostramos al Perú que no solo es posible apuntar al desarrollo automotriz si no también al desarrollo de nuevas tecnologías.
- Mucha gente aún no entiende bien cómo funciona un vehículo eléctrico para que pueda competir en alta competencia. ¿Nos podrían explicar cómo es en el caso de su proyecto?
Los vehículos tipo Formula Student para que puedan competir tienen que cumplir, en primera instancia, con una reglamentación y estándares en este caso puestos por la propia organización. Esto permite competir con otras universidades e institutos bajo las mismas reglas y cumpliendo siempre los estándares de seguridad. La principal diferencia con los vehículos a combustión es que la propulsión del vehículo viene de un motor eléctrico en conjunto con un paquete de baterías y controladores. Los motores eléctricos brindan bastantes ventajas como un torque alto desde el inicio de su rotación que en los motores a combustión no ocurre. Esto se traduce en una mayor aceleración para el vehículo. Un gran ejemplo es el equipo de AMZ en Zurich quienes recientemente rompieron un record acelerando de 0 a 100 km/h en 0.956 segundos.
El vehículo se diseña partiendo de un objetivo al que queremos llegar en términos de aceleración, velocidad, peso, conducción e incluso quién será el piloto. Luego se sigue un proceso iterativo para poder identificar oportunidades de mejora e ir perfeccionando las diferentes áreas que conforman el vehículo. Se requiere de mucho análisis, coordinación y creatividad para lograr una buena comunicación entre áreas lo que finalmente llevará a una buena interacción entre las diferentes partes del vehículo. Se busca finalmente obtener un equilibrio entre potencia y peso del vehículo acompañado de un diseño a medida de suspensión, aerodinámica, sistemas de transmisión de potencia entre otros.
- Sabemos que participarán en los eventos de Formula SAE. ¿En qué consiste y cuáles son las ventajas que su proyecto podría obtener al participar en el mismo?
La competencia de Formula Student o Formula SAE tiene 3 categorías: combustión, eléctrico y autónomo. La competencia consta de eventos estáticos en donde se califica el diseño, costo, seguridad entre otros aspectos del vehículo así como también la presentación del vehículo como modelo de negocio. Por otro lado, también se presentan eventos dinámicos en donde se califica la aceleración del vehículo, el comportamiento, resistencia y eficiencia energética.
A nivel de equipo, participar en este tipo de competencia nos brindará bastante experiencia y acercamiento a la industria automotriz y de automovilismo deportivo. Detrás de la competencia se promueve bastante la comunidad de estudiantes y la participación de cada uno en esta competencia lo que crea un ambiente bastante enriquecedor. Por otro lado, no solo nos posicionamos como pioneros en electromovilidad desde la academia en Perú si no que resaltamos la gran capacidad del equipo en lograr retos tan demandantes lo que se traduce finalmente en que sí se puede lograr este tipo de proyectos a nivel nacional.
- Tras el desarrollo del kart, ¿Apuntan a fabricar automóviles eléctricos en el futuro para personas naturales?
Nuestra meta principal como equipo es sacar este primer prototipo que se dará a conocer a fin de año y posteriormente competir a nivel internacional. Se apunta como equipo a seguir participando activamente en los años siguientes. Sin embargo, con la experiencia que se adquiere durante este proceso más la experiencia que se adquiere al competir internacionalmente, la idea de desarrollar vehículos eléctricos en un futuro para uso personal no suena tan lejana. El perfil que desarrollan los miembros del equipo es bastante completo y este tipo de proyectos tienen muchísimo potencial. Los egresados con experiencia en este tipo de proyectos que buscan una carrera profesional en el rubro automotriz son justamente los que son capaces de participar en empresas que se dedican al desarrollo de nuevas tecnologías en la industria automotriz y de alta competencia.
- ¿Cómo analizan la actualidad de la electromovilidad en el Perú?
El estado de la electromovilidad en Perú felizmente se encuentra ya en desarrollo. Estamos un poco atrasados si tenemos que compararnos con el resto de Sudamérica, sin embargo hay mucho trabajo que hacer y mucho que aprender. Me gusta analizar la situación actual en Perú como un conjunto de partipantes entre los cuales están la importación de vehículos eléctricos al Perú, el desarrollo de una infraestructura de carga para estos vehículos y la concientización de que la electromovilidad no es el futuro si no el ahora. Es parte de nuestro trabajo como equipo participando en el desarrollo de este tipo vehículos dar a conocer sobre estas nuevas tecnologías, qué retos estamos enfrentando y sobre todo, dar a conocer que proyectos así de ambiciosos se pueden desarrollar en Perú.
Bioimpresión Volumétrica: Construcción de tejidos en segundos
Escrito por:
UTEC
La bioimpresión es la tecnología que permite la impresión tridimensional de biomateriales cargados con células vivas, con el objetivo de construir estructuras que se asemejan a órganos y tejidos funcionales. Combinando la impresión 3D, la medicina regenerativa y la biotecnología, para resolver problemas presentes en la ingeniería de tejidos, la investigación farmacéutica y la medicina.
A pesar de todos los avances prometedores en el campo, es necesario nueva tecnología que permita la creación de injertos grandes clínicamente relevantes, y que sean obtenidos por un proceso a alta velocidad.
Los actuales métodos de impresión incluyen técnicas basadas en inyección de tinta, que consiste en biotintas líquidas que pueden extruirse mediante calor en un sustrato cuyo contacto lo hará estructuralmente rígido. Luego, la bioimpresión asistida por láser, en la que se utilizan láseres para calentar el material y evaporarlo antes de su deposición. Finalmente, la bioimpresión basada en litografía, como la estereolitografía (SLA) cuyas principales ventajas incluyen una impresión a alta velocidad y una alta precisión. Estas tecnologías toman mucho tiempo, sobre todo cuando se requiere generar injertos grandes, de escala centimétrica; lo cual genera que las células sean mantenidas en el cartucho de la bioimpresora por largos periodos de tiempo, lejos de un entorno de cultivo óptimo; generando estrés y afectando su funcionalidad.
La bioimpresión volumétrica representa un cambio de paradigma dentro de la bioimpresión, ofreciendo un enfoque revolucionario para fabricar estructuras biológicas tridimensionales complejas. A diferencia de los métodos tradicionales de bioimpresión que depositan materiales capa por capa, la bioimpresión volumétrica aprovecha técnicas que implican la manipulación de materiales ligeros y fotosensibles, para crear estructuras completas a la vez, en lugar de mediante la adición secuencial de bloques de construcción básicos.
El flujo de trabajo es similar a la bioimpresión, se inicia con un modelo digital en 3D, el cual fue obtenido con un software de diseño asistido por computadora (CAD). Los biomateriales con los cuales se trabaja son fotosensibles, es decir sufren cambios estructurales cuando son expuestos a longitudes de onda de luz específica; por ejemplo acrilatos (gelatina metacrilato) y resinas elastoméricas, las cuales se trabajan con un fotoiniciador cuya concentración debe ser lo suficientemente baja para que la luz penetre a través de todo el volumen, pero lo suficientemente alta para permitir que el gel se polimerice.
A diferencia del enfoque tradicional de capas, se usa un proyección de luz holográfica o polimerización de luz multifotónica, los patrones de luz se cruzan dentro del material fotosensible, se forma instantáneamente una estructura sólida, dando forma a la estructura 3D deseada en un solo paso de impresión, después del proceso de impresión volumétrica, se elimina cualquier material que no haya reaccionado y se pueden realizar pasos de posprocesamiento adicionales según sea necesario.
Bernal et al, 2019, demostraron que células madre mesenquimales (CMM) impresas en un modelo de hueso trabecular podian mantenerse en medio osteogénico durante 7 días, como imitación de los osteoblastos dentro del hueso nativo (O-MSC). La compleja red porosa del modelo trabecular cargado de células también podría sembrarse con células adicionales después de la impresión. Los investigadores introdujeron células formadoras de colonias endoteliales (ECFC) y CMM, para generar una cocultivo de células osteogenicamente diferenciadas, células endoteliales vasculares y CMM de soporte. Luego de 3 días de cultivo, observaron la formación de brotes angiogénicos tempranos, típicos de los precursores de la red capilar sanguínea.
Lo que sugiere que el las células madre mesenquimales diferenciadas a hueso en el modelo bioimpreso, tienen la capacidad de proporcionar señales paracrinas que promueven el proceso angiogénico impulsado por las ECFC; demostrando así que la bioimpresión volumétrica permite la realización de funciones celulares clave.
Figura 1: Depósito de la resina cargado de células, polimerización de la resina con determinada longitud de onda.
Bibliografia
1)Bernal, P.N. et al. (2022) ‘Volumetric Bioprinting of Organoids and Optically Tuned Hydrogels to Build Liver-Like Metabolic Biofactories’, Advanced Materials, 34(15). Available at: https://doi.org/10.1002/adma.202110054.
2)Bernal, P.N. et al. (2019) ‘Volumetric Bioprinting of Complex Living-Tissue Constructs within Seconds’, Advanced Materials, 31(42). Available at: https://doi.org/10.1002/adma.201904209.
3)Grottkau, B.E., Hui, Z. and Pang, Y. (2020) ‘A novel 3d bioprinter using directvolumetric dropondemand technology for fabricating micro tissues and drugdelivery’, International Journal of Molecular Sciences, 21(10), pp. 1–11. Available at: https://doi.org/10.3390/ijms21103482.
Estudiantes de Ingeniería Química realizan visita técnica a la Refinería de Conchán
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UTEC
Complementar la teoría con la experiencia práctica es fundamental, en carreras altamente prácticas y versátiles como la Ingeniería Química. Por dicha razón, los estudiantes del curso
Química Orgánica Aplicada realizaron una visita técnica a las instalaciones de la Refinería de Conchán, guiados por el Ing. Artemio Flores Lima, profesor a cargo del mencionado curso.
Durante la visita, los ingenieros anfitriones de Petroperú explicaron cómo y en qué equipos se transforma el petróleo crudo, insumo principal del proceso, en diversidad de productos útiles para la economía nacional, como el asfalto, material importante para la infraestructura vial del país, gasolinas premium y regular, que dinamizan una gran parte de medios de transporte terrestre nacional, entre otros productos comerciales.
Los estudiantes recorrieron no solamente la planta de producción, sino también la sala de control del proceso, la granja de tanques y los laboratorios. En palabras de Teodoro Patiño, estudiante de la carrera, la experiencia en esta visita técnica fue enriquecedora y fascinante y se “ha convertido en un catalizador de mi pasión y un recordatorio constante de las inmensas oportunidades que la Ingeniería Química ofrece en un mundo en constante cambio. Estoy emocionado por lo que depara el futuro y ansío contribuir, como profesional, a los desafíos y avances que moldearán a las industrias en los años venideros.”
Bacterias vs Cáncer - Round 1: Fight!
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UTEC
Los tratamientos más comunes usados contra el cáncer son los métodos quirúrgicos, la radioterapia y la quimioterapia; ésta última una de las más usadas en nuestro país. Si bien estas terapias son efectivas, en algunos casos no logran erradicar en su totalidad el cáncer, y desgastan considerablemente no solo el sistema inmune del paciente, sino también su estado anímico debido a los efectos secundarios.
De manera esperanzadora, en los últimos 10 años la inmunoterapia se ha abierto paso como uno de los tratamientos más idóneos para diferentes tipos de cáncer. La inmunoterapia utiliza el sistema inmune de los pacientes para atacar al cáncer. Una de las formas de la inmunoterapia son las CART-cell therapy, usadas para tratar cánceres sanguíneos como leucemia, linfomas y mielomas. Sin embargo, si bien las CART-cells son óptimas para identificar los antígenos específicos en células sanguíneas, no lo son para atacar tumores, puesto que éstos están formados por diferentes células con diferentes antígenos en sus superficies.
Ante esta problemática, investigadores de Columbia Engineering presentaron recientemente una novedosa estrategia para combatir tumores: han modificado bacterias probióticas para colonizar tumores y así generar objetivos sintéticos dentro de los mismos, guiando a las células CAR-T para eliminar las células cancerosas recién identificadas. Esta nueva estrategia constituye la primera vez en que se combinan células T modificadas genéticamente con bacterias alteradas, para llevar de forma segura, sistemática y efectiva, antígenos sintéticos a tumores sólidos. Este enfoque podría tener un impacto notable en el tratamiento de diversas formas de cáncer.
El grupo de investigadores liderado por Tal Danino, profesor asociado del departamento de Biomedical Engineering de Columbia University, ha desarrollado esencialmente una célula CAR-T universal diseñada para atacar a un antígeno universal. Esto se logra programando bacterias que buscan tumores para marcar los tumores sólidos con un marcador sintético reconocible por las células CAR-T. Los investigadores anticipan que, con refinamientos continuos, esta plataforma podría tratar cualquier tipo de tumor sólido sin la necesidad de identificar un antígeno específico del tumor; en consecuencia, no sería necesario crear un producto personalizado de células CAR-T para cada tipo de cáncer y para cada paciente individual.
La creación de esta plataforma de células CAR-T guiadas por probióticos (ProCAR) representa un logro innovador, y constituye una primera instancia en la que los científicos no solo han integrado con éxito probióticos modificados genéticamente con células CAR-T, sino que también han brindado una primera evidencia de que los CAR responden a antígenos sintéticos producidos directamente dentro del tumor.
Fuente: Elaboración Propia – Basado en Probiotic-guided CAR-T cells for solid tumor targeting. Science, 2023; 382 (6667): 211 DOI: 10.1126/science.add7034.
La plataforma ha demostrado ser segura y efectiva en varios modelos de cáncer en humanos y ratones, abarcando tanto ratones inmunocomprometidos como inmunocompetentes. De manera destacada, el estudio indica que la presencia de bacterias inmunestimulantes dentro del tumor mejora significativamente las funciones de eliminación de tumores de las células T humanas
Dicho todo esto, y aunque los resultados son prometedores, resulta necesario esperar la aprobación por parte de la FDA así como la implementación a gran escala de este método; con el objetivo de evitar que se convierta en un tratamiento excesivamente costoso para los pacientes.
Bibliografia :
Rosa L. Vincent, Candice R. Gurbatri, Fangda Li, Ana Vardoshvili, Courtney Coker, Jongwon Im, Edward R. Ballister, Mathieu Rouanne, Thomas Savage, Kenia de los Santos-Alexis, Andrew Redenti, Leonie Brockmann, Meghna Komaranchath, Nicholas Arpaia, Tal Danino. Probiotic-guided CAR-T cells for solid tumor targeting. Science, 2023; 382 (6667): 211 DOI: 10.1126/science.add7034
Columbia University School of Engineering and Applied Science. "Engineered bacteria paint targets on tumors for cancer-killing T cells to see." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2023/10/231012161702.htm (accessed November 15, 2023).
La Química tras los fuegos artificiales: Una combinación de arte y ciencia
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UTEC
Los Fuegos artificiales son utilizados en gran número de eventos alrededor del mundo, son sinónimo de celebración y un ejemplo fascinante de la química y la ingeniería en acción. Con el paso de los años la tecnología entorno a ellos ha ido cambiando, pero ¿Cómo funcionan? ¿Cómo forman diferentes patrones y colores? ¿Cuál es la ciencia tras tan asombrosa explosión de luces, colores y variadas formas? Veamos algunas respuestas a estas interrogantes…
Los dispositivos pirotécnicos contienen sustancias químicas; generalmente, está compuesto por un oxidante, un combustible, un aglutinante y opcionalmente por una sustancia química que mejora el color. Las luces, colores y sonidos de los fuegos artificiales provienen de estos químicos.
La pólvora es el combustible más utilizado en los fuegos artificiales el cual proporciona la energía para hacer volar al cartucho en el aire; los oxidantes pueden ser: nitratos, cloratos y percloratos; cuya función es generar el oxígeno suficiente para la combustión; el aglutinante (dextrina, goma, resina, etc.) mantiene unido todos los demás componentes y, por último, las sales metálicas producen colores específicos.
LUCES, SONIDO Y FORMAS
Los colores pueden formarse por dos mecanismos: luminiscencia e incandescencia.
En la incandescencia se produce por calentamiento, el calor hace que el material comience a brillar y emita luz a diferentes longitudes de onda (luz infrarroja, luego roja, naranja, amarilla y blanca a medida que la sustancia se calienta cada vez más). Cuando se controla la temperatura de un fuego artificial, el brillo de los compuestos metálicos se puede manipular para que tenga el color deseado en el momento adecuado. La creación de luces azules y verdes requieren una mayor temperatura, lo cual es impráctico en los fuegos artificiales; por ello estos colores se logran por el mecanismo de luminiscencia. En la luminiscencia no se requiere calor para que un cuerpo emita luz y por eso ocurre a temperaturas más bajas. La luz es generada por los electrones del átomo del metal, que al absorber energía del calor generado en la explosión saltan a un nivel superior, pasando a ser electrones excitados y luego vuelven a su estado fundamental, de menor energía, liberando un fotón de luz de determinada energía y color característico.
La explosión de un fuego artificial se produce en dos pasos: el proyectil aéreo se dispara al aire y luego explota en el aire, a muchos metros del suelo. Durante la explosión del proyectil no solo se producen gases rápidamente, sino que también se calientan y se expanden siguiendo la ley de Charles (Si la presión es constante, a medida que aumenta la temperatura de un gas encerrado, el volumen también aumenta). El estruendo se debe a la expansión de los gases a un ritmo más rápido que la velocidad del sonido.
En esa misma línea, la disposición de las estrellas (ver figura 1) determina la forma que tomaran las luces; si están dispuestas al azar en el proyectil, se esparcirán uniformemente en el cielo después de la explosión. Pero, si se agrupan cuidadosamente en patrones determinados, los fuegos artificiales tendrán una forma específica porque las estrellas se envían en direcciones puntuales durante la explosión.
¡Es por ello, que, en cuanto al sonido y las formas de los fuegos artificiales, todo se reduce a la construcción del proyectil aéreo!
Tabla SEQ Tabla \* ARABIC 1 Colorant compounds used in Fireworks and the colors they produced.
IMPACTO AMBIENTAL Y FUTURO
Si bien los fuegos artificiales son un espectáculo para nuestra vista también se debe considerar que los restos del proyectil generan desperdicios, además, la combustión genera humo y partículas que contaminan el aire. En un estudio reciente se diseñaron bengalas proporcionándoles un revestimiento funcional que tiene propiedades potenciales de inhibir la absorción de humedad y controlar las emisiones gaseosas de partículas. Por ello, es que se debe seguir con la investigación y búsqueda de alternativas más eco amigables, como por ejemplo proyectiles biodegradables o formas de combustión verde.
Hoy en día, las computadoras desempeñan un papel fundamental tanto en el desarrollo de los fuegos artificiales como en el diseño de sus exhibiciones. Se pueden utilizar programas informáticos para sincronizar el disparo de miles de fuegos artificiales desde un solo panel de control.
Diseñar un espectáculo de fuegos artificiales es tanto un arte como una ciencia. Los diseñadores de fuegos artificiales deben comprender las propiedades químicas de varios compuestos para producir los colores deseados. Deben considerar la física de la dinámica de las explosiones para crear las formas y patrones requeridos. Además, también deben tener una visión artística para coreografiar estos elementos de una manera que ofrezca un espectáculo cautivador.
Figure 1. Structure of an aerial shell. The black balls are the stars, and the gray area is gunpowder. The stars and the powder are surrounding a bursting charge, which alsocontains black powder.
Referencias
- Utkarsha W., Girivyankatesh H, Suraj J., Anirban M., Rakesh K., Sadhana R.; “Glazing of the fireworks: Functional coating materials for enhancing the shelf life and reducing emissions”; Environmental Technology & Innovation 28 (2022) 102926; https://doi.org/10.1016/j.eti.2022.102926
- N. Selvakumar, A. Azhagurajan, A. Suresh; “Experimental analysis on nano scale flash powder composition in fireworks manufacturing”; J Therm Anal Calorim (2013) 113:615–621; DOI 10.1007/s10973-012-2749-9
- 10 Chemmatters, October 2010.