Novedosa técnica para la reducción de las emisiones de carbono en procesos
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Desde finales del siglo XIX, nuestro planeta experimenta un calentamiento gradual y progresivo que en las últimas décadas se ha acelerado. Según expertos, se prevé que tanto la temperatura de la superficie terrestre como la oceánica continúen aumentando en el corto plazo. Esto ha traído repercusiones ambientales, económicas y sociales. Gran parte del problema es causado por los gases de efecto invernadero (GEI) entre los que se encuentran gases naturales como el dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), así como gases artificiales fluorados, destacándose los hidrofluorocarbonos (HFC) y los perfluorocarburos (PFC), ampliamente utilizados en la industria.
En las últimas décadas, las emisiones de CO2 en la atmósfera se han multiplicado a niveles alarmantes. En 2022, los niveles de CO2 superaron las 418 partes por millón, y continúan en aumento y, las emisiones provenientes de la industria y combustibles fósiles alcanzaron los 36.600 millones de toneladas métricas. Esta situación tiene consecuencias que van desde el deshielo del casquete polar ártico, condiciones climáticas impredecibles y aumento de desastres naturales, cambios en los patrones de precipitación, hasta mudanzas en la acidez y el nivel medio del mar.
Ante tal realidad es imprescindible encontrar soluciones capaces de tener un impacto a gran escala. La reducción electroquímica de CO2 a combustibles químicos es una estrategia con gran potencial para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero y mitigar el cambio climático. Actualmente, el cobre (Cu) y sus aleaciones son los principales materiales utilizados para reducir electroquímicamente el CO2 a productos multicarbono. Sin embargo, estos no son selectivos y forman simultáneamente dióxido de carbono (CO), metano (CH4), formiatos (HCOO-), etc.
Es así como un grupo de investigadores de la Universidad Johns Hopkins presentaron un enfoque innovador para la electroreducción de dióxido de carbono catalizada por cobre, a fin de diseñar condiciones de reacción que mejoren la selectividad de los productos multicarbonados y de esta forma conducir a métodos más eficientes de conversión.
Teniendo en cuenta que la reducción electroquímica de CO2 a materias primas con valor agregado se ve obstaculizada por la formación competitiva de productos, los investigadores han postulado que el agua, como componente fundamental en esta reacción, desempeña un papel esencial al influir en la selectividad y actividad de los productos generados.
En sus experimentos hicieron pasar electricidad a través de soluciones saturadas con CO2, disminuyendo gradualmente la actividad termodinámica del agua, lo cual tuvo como resultado una mejora en la selectividad y la densidad de corriente de los productos C2+ (etileno, etanol, propanol), mientras que los productos C1 (monóxido de carbono y metano) se suprimieron. Los autores explicaron que lo observado fue el resultado de que el dióxido de carbono, intermediario clave en la reacción, se adhiriera a la superficie del electrodo de cobre.
Según los investigadores, esta investigación revela nuevas oportunidades dentro del sector de la química verde y desempeña un papel clave en la transición hacia un futuro más sostenible y ambientalmente consciente.
En conclusión, el estudio demostró que reducir la disponibilidad del donante de protones es un método valido para mejorar la reducción de CO2 a productos multicarbono C2+ altamente deseables y resalta el potencial de utilizar el agua como un factor clave en la eficiencia de procesos de conversión de CO2, destacando, además, la importancia de continuar la investigación en tecnologías emergentes para abordar los desafíos críticos asociados al cambio climático.
Bibliografía
- Zhang, H., Gao, J., Raciti, D. et al. Promoting Cu-catalysed CO2 electroreduction to multicarbon products by tuning the activity of H2O. Nat Catal 6, 807–817 (2023). https://doi.org/10.1038/s41929-023-01010-6
- Farooqi, S.A., Farooqi, A.S., Sajjad, S. et al. Electrochemical reduction of carbon dioxide into valuable chemicals: a review. Environ Chem Lett 21, 1515–1553 (2023). https://doi.org/10.1007/s10311-023-01565-7
- Statista. Nivel promedio de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera entre 1959 y 2022. Consultado en noviembre de 2023. https://es.statista.com/estadisticas/1269928/concentracion-atmosferica-global-de-dioxido-de-carbono/
Las aplicaciones biomédicas de las microondas en la NASA para la exploración espacial
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A medida de que la exploración espacial ha ido captando la atención tanto de agencias gubernamentales así como también de startups y empresas privadas alrededor del mundo, se ha intensificado la investigación de tecnologías que permitan que los astronautas puedan estudiar espacios más lejanos, sin descuidar su salud y bienestar. Siendo uno de los mayores retos actuales enviar astronautas a Marte, se debe considerar que estos estarían más alejados que nunca de atención médica en la Tierra, además ya que la tasa de incidentes estimada para una emergencia médica es de aproximadamente una persona por misión espacial y de que los miembros de una tripulación tendrían el mínimo o nulo apoyo en tiempo real del control de la misión, es necesario desarrollar equipo médicos que puedan ser utilizados inclusive por médicos no especializados.
De esta manera, para asegurar el cuidado y bienestar de los astronautas, la División de Investigación Biomédica y Ciencias Ambientales (BR&ES) de la NASA en colaboración con su Dirección de Ingeniería, División de Sistemas de Aviónica crearon el Laboratorio de Ingeniería Biomédica para Tecnología de Exploración Espacial (BEEST), el cual ha logrado avances significativos en el campo de la salud y que han sido patentados en base al uso de las microondas [1], como las descritos a continuación.
Uno de ellos, es un dispositivo para tratar las caries usando energía de microondas aplicada directamente a los dientes a frecuencias letales para las bacterias que causan la caries, pero no para los tejidos dentales, logrando alterar el pH local de la lesión para promover favorablemente la remineralización espontánea del diente. La creación de este dispositivo, se basó en datos demostrados de que el Streptococcus mutans absorbe selectivamente microondas en la región de la banda Ka, por lo que se planteó el uso de microondas generadas en frecuencias de 26.5 GHz a 40 GHz [2].
Figura 1. Energía de microondas enfocada en un molar humano. Fuente: NASA.
Otra de sus patentes es un aparato para la soldadura de tejido biológico por microondas, el cual se puede usar para conectar dos o más piezas de tejido biológico de una herida o incisión pudiendo llegar a reducir la probabilidad de que se produzca una infección en o alrededor de una herida y permitiendo que se pueda restaurar el tejido biológico soldado a su resistencia a la tracción original. Para esto, se hace una mezcla de unas microesferas, que pueden controlar la profundidad y ubicación de la penetración del calor en la herida, con la soldadura biológica compuesta por agua estéril y albúmina sérica bovina (BSA) u otra albúmina sérica, incluida la derivada de humanos. Esta mezcla se dispone dentro, sobre o alrededor de la herida y posteriormente se calienta con las microondas que son transmitidas por la antena de este aparato, logrando así unir el tejido biológico. Este aparato y su método de soldadura se puede aplicar sobre heridas superficiales, heridas de corte profundo, desgarros de piel y órganos internos como el hígado, el bazo y los riñones. De esta manera, se evita el uso de técnicas convencionales de sutura y grapado para la reparación biológica de tejido, que aumentan el riesgo de infección o reacción inmunológica adversa. Además, ha demostrado ser más eficaz que la reparación de tejido con láser, ya que estas son muy propensas a errores, requieren de un sistema de refrigeración complejo y voluminoso, etc [3].
Figura 2. Vista esquemática del sistema de soldadura por microondas uniendo dos piezas de tejido biológico. Fuente: Patente US8388613B1
Por otro lado, también se ha desarrollado un sistema para la descontaminación de agua, que logra eliminar uno o más contaminantes dentro de un medio, incluyendo bacterias, hongos, parásitos, virus y combinaciones de los mismos mediante una señal de microondas que tenga una frecuencia entre 10 GHz y 100 GHz, mientras que se aumenta la temperatura del medio en menos de 10 °C aproximadamente. De esta manera, el fluido no es calentado significativamente para eliminar los contaminantes vivos y se evita el uso de aditivos químicos con este fin [4].
Figura 3. Eliminación de contaminantes de agua con un sistema basado en microondas. Fuente: NASA Technology Transfer Program
Para finalizar, es notable cómo los conocimientos en ingeniería biomédica aplicados sobre la tecnología de las microondas se pueden emplear para diversos propósitos que pueden ser de beneficio global, sin embargo, en un ambiente tan hostil como el espacio exterior, marcan una diferencia remarcable ya que estos aparatos brindan más autonomía, seguridad y apoyo a los astronautas ante situaciones muy complejas.
Referencias:
- [1] Lewis, R. E. Biomedical engineering for exploration space technology. NASA. [en línea]. 16 de marzo de 2023 [consultado el 13 de febrero de 2024]. Disponible en: https://www.nasa.gov/directorates/esdmd/hhp/biomedical-engineering-for-exploration-space-technology-2/
- [2] Justia. Method and device for treating caries using locally delivered microwave energy. Justia [en línea]. [sin fecha] [consultado el 13 de febrero de 2024]. Disponible en: https://patents.justia.com/patent/10966809
- [3] Justia. Methods and apparatus microwave tissue welding for wound closure. Justia [en línea]. [sin fecha] [consultado el 13 de febrero de 2024]. Disponible en: https://patents.justia.com/patent/10966809
- [4] Justia. Microwave-based water decontamination system. Justia [en línea]. [sin fecha] [consultado el 13 de febrero de 2024]. Disponible en: https://patents.justia.com/patent/10966809
- [5] Dickey Arndt, G., Ngo, P. H., Phan, C. T., Byerly, D. L., Dusl, J. R., Sognier, M. A., & Carl, J. R. (2013). Methods and apparatus for microwave tissue welding for wound closure (Patent Núm. 8388613). En US Patent (Núm. 8388613).
- [6] NASA Technology Transfer Program. NASA’s microwave-based water decontamination system. (2020, febrero 25). Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=57MVPuBcvTg
Optimización de Materiales para la levitación Magnética
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La levitación magnética es un fenómeno físico en el cual un objeto es suspendido en el aire por la acción de fuerzas magnéticas que contrarrestan la fuerza de la gravedad. Esto se logra utilizando imanes para generar un campo magnético que interacciona con el campo magnético del objeto, creando una fuerza de repulsión que mantiene al objeto en una posición estable, sin contacto físico con ninguna superficie.
En el contexto de la levitación magnética, la ingeniería química se enfoca en el diseño y la optimización de materiales utilizados en los sistemas de levitación para mejorar su eficiencia, estabilidad y durabilidad. Esto incluye el desarrollo de materiales superconductores y magnéticos con propiedades específicas que sean compatibles con los requisitos de los sistemas de levitación magnética. La ingeniería química también se encarga de la síntesis, procesamiento y fabricación de estos materiales a escala comercial, así como de la aplicación de recubrimientos y revestimientos para proteger los materiales contra la corrosión y el desgaste. En resumen, la ingeniería química desempeña un papel crucial en la investigación y el desarrollo de materiales avanzados para la levitación magnética, contribuyendo así a su aplicación en una variedad de campos, como el transporte, la medicina y la investigación científica.
Históricamente, la levitación magnética ha sido impulsada por avances en diversos campos, incluida la ingeniería química en la síntesis y optimización de materiales clave. A continuación, se presentan algunos hitos históricos relevantes desde el punto de vista de la ingeniería química en relación con los materiales utilizados en la levitación magnética:
1933 - Descubrimiento del Efecto Meissner-Ochsenfeld: Walther Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron el efecto Meissner-Ochsenfeld, que describe la expulsión del campo magnético de un superconductor en un estado superconductor. Este fenómeno es fundamental para la levitación magnética y ha sido objeto de investigación en la ingeniería química para comprender mejor los superconductores y sus propiedades [1].
1986 - Descubrimiento de los Superconductores de Alta Temperatura: Los investigadores Johannes Georg Bednorz y Karl Alexander Müller descubrieron los superconductores de alta temperatura (HTS), materiales cerámicos que exhiben superconductividad a temperaturas relativamente altas. Este descubrimiento abrió nuevas posibilidades para la levitación magnética y estimuló la investigación en la ingeniería química para sintetizar y optimizar estos materiales [2].
1984 - Desarrollo de los Primeros Trenes Maglev: En Japón, se introdujeron los primeros trenes de levitación magnética (Maglev) utilizando superconductores enfriados con nitrógeno líquido para lograr la levitación. Este hito llevó a una mayor atención en la ingeniería química hacia la producción y optimización de superconductores de alta temperatura para aplicaciones prácticas [3].
En el proceso del avance sobre los materiales se establecieron varios fabricantes y empresas de materiales superconductores para producir y desarrollar tecnologías relacionadas, lo que impulsó la investigación en la ingeniería química para mejorar la fabricación y las propiedades de los materiales superconductores. Algunas empresas y organizaciones notables que han estado involucradas en la fabricación y desarrollo de superconductores (IBM, General Electric, SIEMENS, SuperPower Inc, American Superconductor Corporation AMSC).
Durante esta década, hubo avances significativos en la síntesis y caracterización de nanomateriales magnéticos para aplicaciones de levitación magnética. Un equipo de científicos pertenecientes a la Universidad de Waterloo (Ontario) y liderados por el profesor Mir Behrad Khamesee, ha puesto a punto un pequeño robot que puede volar gracias a un inteligente uso del magnetismo [4]. La ingeniería química desempeñó un papel importante en el diseño y la optimización de estos materiales para mejorar su estabilidad y rendimiento en sistemas de levitación.
Actualmente, la investigación en la ingeniería química sigue centrada en el desarrollo de nuevos materiales superconductores y magnéticos, así como en la mejora de los procesos de fabricación y la comprensión de los mecanismos subyacentes para avanzar en la levitación magnética y sus aplicaciones.
Referencias bibliográficas
Sánchez Cornejo, H. E. “Fabricación y caracterización de películas Superconductoras de YBa2Cu3O7 depositadas sobre el sustrato YSZ, mediante la técnica de Deposición Química" pp. 9 2015. [Online].https://cybertesis.unmsm.edu.pe/bitstream/handle/20.500.12672/4495/S%C3%A1nchez_ch.pdf[Accessed: 27 -feb-2024]
Pérez, F. E. S. L. “Los superconductores. Antena de telecomunicación”, 185, 18-26 2012. [Online]. https://www.academia.edu/download/40552764/04c_Superconductores.pdf[Accedido: 27 -feb-2024]
Burgos, G. P., Lema, K. L., Macías, M. P. M., Vera, A. M., & Rezabala, D. Z. “Análisis Del Desarrollo Tecnológico De Japón En El Ecuador. Observatorio Iberoamericano de la Economía y la Sociedad del Japón”, (31) 2017 [Online].https://www.eumed.net/rev/japon/31/japon-ecuador-tecnologia.zip[Accedido: 27 -feb-2024]
“Nano Robot por Levitación Magnética”, 2009. https://www.tecnologianano.com/nanorobot-por-levitacion-magnetica/ [Accessed: 27 -feb-2024]
Car T cells therapy for autoimmune diseases
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Chimeric Antigen Receptors (CAR) are receptors designed through genetic engineering techniques, with the aim of directing mainly T lymphocytes and NK cells to recognize and eliminate cells that express a specific antigen. CAR binding to target antigens present on the cell surface occurs independently of the major histocompatibility complex (MHC), resulting in robust T cell activation and powerful immune responses.
The four main components of CAR receptors are:
- Extracellular target antigen binding domain: Confers the specificity to bind to a specific antigen. To recognize a given antigen and induce T cell activation, the antigen-binding affinity of CARs must be high enough, but not high enough to cause activation-induced death of CAR-expressing T cells. and trigger toxicities.
- Hinge region: Provides flexibility and contributes length to allow the antigen-binding domain to access the target epitope.
- Transmembrane domain: Its most studied function is to anchor the CAR receptor to the T lymphocyte membrane. One or more intracellular signaling domains: The most common costimulatory domains are CD28 and 4-1BB (CD137); which are associated with high patient response rates.
The manufacturing process of CAR-T cells begins with the isolation of peripheral mononuclear cells (PBMCs), using the Ficoll-Paque density gradient technique or by leukapheresis, then CD4+ and/or CD8+ T lymphocytes depending on the product. desired, enrichment and activation is performed, for which the cells are exposed to activating anti-CD3 and anti-CD28 antibodies attached to beads. To then carry out genetic modifications of the isolated T cells, using viral or non-viral approaches.
CAR-T cell manufacturing process, image extracted from Biorender.
Autoimmune disorders are a broad category of diseases with complex pathology. These disorders develop when the body's own immune cells (particularly autoreactive B and T cells) initiate abnormal attacks on their own tissues through a variety of effector pathways. These diseases arise from a combination of genetic predisposition and environmental factors.
To prevent autoreactive immune cells from attacking host organs, the treatment of autoimmune diseases remains to use broad, generally non-targeted immunosuppressive drugs, such as glucocorticoids and non-steroidal anti-inflammatory drugs, or their blockade with specific antibodies, such as antibodies against CD20 (Rituximab) or BAFF (Belimumab), antibodies against T cells, such as anti-CD52 (alemtuzumab), or against pro-inflammatory cytokines such as antibodies against TNF-α (infliximab). Autoimmune diseases can also be treated through hematopoietic cell transplantation, which can be autologous or allogeneic.
Cell therapy for autoimmune diseases has two approaches; eliminate and dampen self-reactive immune cells.
In a recent article published in The New England Journal of Medicine, researchers treated 8 patients with systemic lupus erythematosus, 3 patients with idiopathic inflammatory myositis, and 4 patients with systemic sclerosis; with a single dose of CD19 chimeric receptor (CAR) T cell infusion. All patients in the study had had a negative response to at least two previous immunosuppressive treatments.
Nine days after infusion, CAR T cells reached peak concentrations (146 per microliter), with CD19+ B cells being eliminated from the peripheral blood after 7 days.
After six months, patients with systemic lupus erythematosus presented remission, with the disease being absent for 29 months. In the three patients with idiopathic inflammatory myositis, after three months, creatine kinase levels and muscle function normalized; all patients discontinued corticosteroids and other immunosuppressive medications.
The data shown in this study provide new evidence of the short-term safety and efficacy of CD19 CAR-T cell therapy for autoimmune diseases, but clinical studies are necessary.
References
- Blache, U. et al. (2023) ‘CAR T cells for treating autoimmune diseases’, RMD Open, 9(4), pp. 1–9. Available at: https://doi.org/10.1136/rmdopen-2022-002907.
- De Marco, R.C., Monzo, H.J. and Ojala, P.M. (2023) ‘CAR T Cell Therapy: A Versatile Living Drug’, International Journal of Molecular Sciences, 24(7), pp. 1–22. Available at: https://doi.org/10.3390/ijms24076300.
- Müller, F. et al. (2024) ‘CD19 CAR T-Cell Therapy in Autoimmune Disease — A Case Series with Follow-up’, The New England Journal of Medicine, 390(8), pp. 687–700. Available at: https://doi.org/10.1056/NEJMoa2308917.
Biocombustible económico obtenido mediante tecnología CELF
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Debido al incremento del consumo mundial de energía, los investigadores siguen realizando estudios con la finalidad de encontrar fuentes que sean sostenibles y que permitan tener energía neutra en carbono. Los biocombustibles pueden ser una alternativa atractiva para reemplazar a los combustibles derivados del petróleo ayudando a disminuir las emisiones de gases por el efecto invernadero.
El uso de plantas es una opción, pero la dificultad radica en lograr descomponer eficientemente la materia vegetal mediante un pretratamiento utilizando sustancias que permitan la producción de un biocombustible de manera rentable y con neutralidad carbónica.
La lignina es uno de los componentes que forman parte de la estructura celular de las plantas, mantiene unida a la celulosa y hemicelulosa confiriéndole una estructura rígida, es altamente hidrofóbica y resistente a la degradación química y a los ataques microbianos, por lo que es importante realizar un pretratamiento efectivo con la finalidad de romper su estructura y acceder a la celulosa y hemicelulosa para lograr una conversión adecuada de los azúcares que permitan la producción del biocombustible.
Charles Cai, profesor investigador asociado de la Universidad de California Riverside ha desarrollado CELF, (co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation), tecnología para el pretratamiento de biomasa mediante el fraccionamiento lignocelulósico con cosolventes como el tetrahidrofurano (THF). De acuerdo a Cai, este compuesto mejora la eficiencia de extracción de la lignina, ayudando también a reducir el costo del pretratamiento ya que permite que en una sola etapa se lleve a cabo no solo la deslignificación sino también la hidrólisis de la hemicelulosa en medio ácido utilizando H2SO4 diluido, y a temperaturas moderadas y cortos periodos de tiempo.
A través de esta tecnología, los investigadores encontraron que para lograr mayores beneficios económicos y ambientales es preferible utilizar una materia prima pesada y densa como por ejemplo la madera del álamo, comparada con los rastrojos de maíz que son menos densos.
En el artículo publicado en la revista Energy and Enviromental Science titulado “Economics and global warming potential of a commercial-scale delignifying biorefinery based on co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation to produce alcohols, sustainable aviation fuels, and co-products from biomass”, el equipo de investigación liderado por Cai menciona las ventajas de utilizar biorefineria CELF en cuanto a temas económicos y ambientales del combustible obtenido, comparado con los anteriores métodos de producción de biocombustibles. Asi por ejemplo utilizando el álamo como materia prima, los investigadores demostraron que se podría obtener mediante esta tecnología un combustible de aviación a un precio de equilibrio tan bajo como $3.15 por galón equivalente de gasolina, considerando que el costo promedio actual de un galón de combustible de avión en los Estados Unidos es de $5.96. Mas detalles acerca de esta investigación la pueden encontrar en el siguiente link: https://doi.org/10.1039/d3ee02532b
Referencias:
- https://news.ucr.edu/articles/2024/02/07/inexpensive-carbon-neutral-biofuels-are-finally-possible
- Biomass, Biopolymer-Based Materials, and Bioenergy, DOI: 10.1016/B978-0-08-102426-3.00013-8
La leche es rica en proteínas , minerales e INSULINA
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La diabetes 1 es una enfermedad que afecta a 422 millones de personas en el mundo , en su mayoría provenientes de países desarrollados . En el Perú en el año 2022 se registraron 19 842 casos de diabetes de los cuales el 96.5% con diabetes tipo 2 y el 1.4% de tipo 1 . La diabetes tipo 1 el páncreas ya no es capaz de producir insulina , la hormona que regula los niveles de azúcar en sangre , por lo tanto es necesario que el paciente se administre inyecciones diarias de insulina. Mientras que las personas con diabetes tipo 2 sufren de resistencia a la insulina, su páncreas si la produce , pero no lo suficiente , en caso de no cambiar su dieta y estilo de vida puede que sea necesario el uso de insulina .
El precio de las inyecciones de insulina en el mercado oscilan entre 70 soles a 132 soles. Algunos pacientes necesitan hasta 4 inyecciones al día .Esta insulina proviene de bacterias Escherichia coli y levaduras recombinantes, las cuales producen entre 1, 085 mg /lh y 1,04 mg/lh. Es por esto que existen grupos de investigación centrados en mejorar la eficiencia en la producción de insulina en diversos microorganismos .
El grupo de investigación de Dr Matt Wheeler del departamento de Animal science de la universidad de Illinois y colaboradores de la Universidad de São Paulo, son los primeros en modificar genéticamente embriones de vaca para obtener vacas que puedan producir insulina y proinsulina en la leche insertando un segmento de ADN humano que codifica para proinsulina.
Imagen 1:
Esquema del vector lentiviral construido para la expresión específica de insulina humana en la glándula mamaria y análisis del mapa de restricción. (A) Esquema del vector lentiviral construido. (B) El mapa de restricción para el vector, L- ladder 1 kb plus (Life Technologies < Waltham, MA); V- vector construido digerido con las enzimas de restricción BamHI, ClaI y XhoI. El fragmento del gen hINS fue generado por la acción de las enzimas de restricción BamHI y XhoI, mientras que BamHI y ClaI generaron el fragmento del promotor de β-caseína, y las enzimas ClaI y XhoI generaron el fragmento del vector original pLenti6.2-GW/EmGFP (7,833 kb). El tamaño del promotor de β-caseína utilizado fue de 5,335 kb y el fragmento del gen de proinsulina humana fue de 1,193 kb. Crédito: Biotechnology Journal (2024).
De los 10 embriones implantados solo 1 de ellos generó una ternera color marrón .Cuando esta llegó a la madurez sexual se hicieron intentos por preñarla a través de la inseminación artificial y monta natural sin resultado alguno.El equipo de investigadores optó por simular la lactación usando hormonas. La producción de leche fue menor que en el caso de un periodo de lactancia normal.
La insulina y la proinsulina se expresaron en algunos gramos por litro. Si bien no se puede determinar a la fecha cuánta insulina se puede producir durante una lactación normal los investigadores estiman que se producirá 1g de insulina por litro de leche . Esta cantidad aproximada da esperanzas a los investigadores dado que una vaca holstein produce en promedio 40 litros de leche por día.
Aunque la implementación de la infraestructura para el desarrollo óptimo y la crianza de vacas transgénicas, así como la creación de un sistema para recolectar y purificar la insulina en la leche, es necesaria, el futuro de esta investigación se vislumbra prometedor. Su éxito podría significar una mejora significativa en la producción de insulina, lo que eventualmente podría traducirse en un precio más accesible para el consumidor final.
Imágen 2: Ternera transgénica
Referencias :
¿Cuál es la diferencia entre la diabetes 1 y 2? | Inicio. (s. f.). Access Community Health Network (ACCESS) https://www.achn.net/es/acerca-de-access/que-hay-de-nuevo/recursos-para-salud/cual-es-la-diferencia-entre-la-diabetes-1-y-2/#:~:text=Las%20personas%20con%20diabetes%20tipo,alimentaci%C3%B3n%20saludable%20y%20siendo%20activas.
CDC Perú: El 96,5% de la población diagnosticada con diabetes tiene diabetes tipo 2. CDC MINSA. https://www.dge.gob.pe/portalnuevo/informativo/prensa/cdc-peru-el-965-de-la-poblacion-diagnosticada-con-diabetes-tiene-diabetes-tipo-2/#:~:text=El%20Centro%20Nacional%20de%20Epidemiolog%C3%ADa,seg%C3%BAn%20el%20sistema%20de%20vigilancia
Baeshen, N. A., Baeshen, M. N., Sheikh, A., Bora, R. S., Ahmed, M. A., Ramadan, H. A. I., Saini, K. S., & Redwan, E. M. (2014). Cell factories for insulin production. Microbial Cell Factories, 13(1). https://doi.org/10.1186/s12934-014-0141-0.
X, S. (2024, 13 marzo). Proof-of-concept study shows how human insulin can be produced in cow’s milk. https://phys.org/. https://phys.org/news/2024-03-proof-concept-human-insulin-cow.html
La ectogénesis: úteros artificiales para apoyar a bebés prematuros
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UTEC
Por Andrés Julián Arias-Moreno
Uno de los avances para asistir e incrementar la posibilidad de sobrevivencia de los bebés que nacen prematuramente (aquellos con menos de 25 semanas de gestación), son los úteros artificiales, dispositivos diseñados para mantener el crecimiento y desarrollo del embrión humano prematuro fuera del útero. Estas matrices imitan la estructura y la función del útero humano, proporcionando un entorno óptimo para que el bebé prematuro sobreviva, monitoreando y regulando cuidadosamente las condiciones en su interior gracias a sensores integrados y sistemas de control automatizado, proporcionando así un espacio seguro y saludable donde el bebé puede alcanzar su desarrollo completo y pleno antes de “nacer” al mundo exterior.
A pesar de que estos dispositivos han sido probados con éxito en corderos y cerdos (Figura 1), cuyos embriones en gestación han sido mantenidos vivos por varios días [1,2], se tiene una gran incertidumbre sobre los resultados que esta tecnología pudiera alcanzar con humanos [3].
Figura 1. Cordero representativo canulado a los 107 días de gestación y al 4º día de apoyo asistido con un útero artificial. [1].
Existen una alta tasa de morbilidad y mortalidad en bebés que nacen antes de las 22 semanas, probabilidades que se reducen en la medida en que el bebé nazca con mayor tiempo de gestación. Cuando un embrión en formación nace de forma prematura, sus pulmones aún no se encuentran lo suficientemente maduros para respirar aire, por lo que necesitan estar protegidos del ambiente externo y recibir el oxígeno y los nutrientes para el desarrollo a través del cordón umbilical, mientras sus pulmones están protegidos por el líquido amniótico. Actualmente, estos bebés son puestos en incubadoras que les brindan condiciones para poder seguir su desarrollo. No obstante, al ser estas un espacio lleno de aire, no brindan completamente el ambiente seguro que el bebé prematuro necesita para su desarrollo adecuado, y es frecuente que los bebés que sobreviven a este escenario presenten durante su vida problemas de salud tales como enfermedades neurológicas, sordera, dificultad en el movimiento u otros problemas acarreados por el desarrollo incompleto en en vientre materno [4,5].
En estas condiciones, los úteros artificiales brindan un ambiente donde el embrión prematuro es puesto en el interior de una bolsa que contiene un líquido amniótico sintético que aisla al feto del ambiente exterior mientras que se le suministran todos los nutrientes, hormonas y oxígeno tanto a través de este líquido como del cordón umbilical, conectado a su vez al sistema de control de este dispositivo (Figura 2).
Figura 2. Esquema representativo del concepto de útero artificial. Adaptado de [5].
Son dispositivos muy promisorios para ayudar a la sobrevivencia del gran número de bebés prematuros que nacen mundialmente, pero que a su vez trae posiciones sociales y éticas encontradas.
Por una lado, los úteros artificiales tienen el potencial de revolucionar la forma de la concepción y el embarazo. Podrían ofrecer una solución para las mujeres con problemas de infertilidad o que no pueden llevar un embarazo a término a causa de complicaciones médicas, mientras que eliminan varios de los riesgos asociados con el embarazo, como la preeclampsia, el parto prematuro y las complicaciones durante el parto.
Por otro lado, los úteros artificiales plantean una serie de aspectos éticos y sociales como por ejemplo la idea que se tiene sobre la maternidad, la subrogación, el alcance que tendrá sobre la salud y calidad de vida del embrión allí gestado, la maternidad asistida, entre otros [6,7].
Los avances tecnológicos y éticos resolverán estas inquietudes en los próximos años.
Referencias
E. Partridge, M. Davey, M. Hornick et al., "An extra-uterine system to physiologically support the extreme premature lamb", Nature Communications 8, 15112, abril de 2017. https://doi.org/10.1038/ncomms15112.
Women and Infants Research Foundation, "Artificial womb EVE Therapy". Women and Infants Research Foundation Newsletter. [En línea]. Disponible en: https://wirf.com.au/Our-Research/Case-Studies/Artificial-womb-EVE-Therapy. Consultado el 13 de mayo de 2024.
C. Willyard, “Everything you need to know about artificial wombs”. MIT Technology review. Septiembre de 2023. [En línea]. Disponible en: https://www.technologyreview.com/2023/09/29/1080538/everything-you-need-to-know-about-artificial-wombs/#:~:text=An%20artificial%20womb%20is%20an,biobag%2C%E2%80%9D%20surrounded%20by%20fluid. Consultado el 13 de mayo de 2024.
Vitara Biomedical Inc, “A New Era in Neonatal Care”. Vitara Biomedical Inc. [En línea]. Disponible en: https://www.vitara.com/. Consultado el 13 de mayo de 2024.
Perinatal Life support, “PLS System, Perinatal Life Support explained”. [En línea]. Disponible en: https://perinatallifesupport.eu/. Consultado el 13 de mayo de 2024.
N. Williams, "The Pros and Cons of Artificial Wombs". News-Medical. Agosto de 2023. [En línea]. Disponible en: https://www.news-medical.net/health/The-Pros-and-Cons-of-Artificial-Wombs.aspx. Consultado el 13 de mayo de 2024.
A. Vidal Egea, “Some feminists believe that artificial wombs will be an antidote to the patriarchy, but the prospects are not so clear”. El País. Diciembre de 2023. [En línea]. Disponible en: https://english.elpais.com/technology/2023-12-26/some-feminists-believe-that-artificial-wombs-will-be-an-antidote-to-the-patriarchy-but-the-prospects-are-not-so-clear.html. Consultado el 13 de mayo de 2024.
Status de los Desafíos de Sostenibilidad de la Ingeniería Química en Latinoamérica y el Caribe (LAC) – Parte 1
Escrito por:
UTEC
Como ingenieros peruanos, la mayoría de veces tomamos como referencia indicadores basados en el Norte Global (EE. UU. Y Europa) además de China, sin embargo sentimos falta de una globalocalización el concepto acuñado por el sociólogo escocés, Roland Robertson, que cuya idea transmite que se debe pensar globalmente y actuar localmente con estrategia. En este contexto, esta reflexión tratará sobre un artículo de revisión titulado "Tackling sustainability challenges in Latin America and Caribbean from the Chemical Engineering Perspective: A literature review in the last 25 years", el cual ha sido publicado en la revista "Chemical Engineering Research and Design" por los autores mexicanos Juan Gabriel Segovia-Hernández, Salvador Hernández, Enrique Cossío-Vargas y Eduardo Sánchez-Ramírez, en 2022. El principal objetivo se centra en desarrollar los desafíos de la sostenibilidad a los que se enfrenta Sudamérica y el Caribe y las iniciativas en los ámbitos industrial y académico en los últimos 25 años.
En el artículo se resalta que a pesar de que muchos países en nuestra región están en vías de desarrollo, la industria química de la región es altamente competitiva a nivel global, gracias a la disponibilidad de recursos naturales y materias primas, incluyendo agua, tierra y biodiversidad. Los autores mencionan la rápida revolución agrícola y la evolución hacia el liderazgo mundial en la explotación de mercados de biocombustibles y nuevas tecnologías agrícolas como indicadores del potencial de la región. Además, se destacan también la significativa producción de sustancias químicas de commodities como metales, petróleo y sus derivados, cosméticos, perfumes y productos farmacéuticos. Esta misma producción que genera riquezas y puestos de trabajo también es responsable por una gran cantidad de residuos industriales, ante esta preocupación la industria ha mostrado interés en aumentar la eficiencia energética y reducir el desperdicio, por otro lado, se registran investigaciones científicas relevantes (de LAC) en áreas que abarcan aspectos energéticos, ambientales, económicos y de seguridad industrial. También, hay iniciativas de discusión en temas como transición energética sostenible y la necesidad de acciones concretas por parte de la academia para implementar estudios de caso en el aula y fomentar conversaciones y enfoques orientados a soluciones.
Figura 1. Abundancia de recursos naturales como agua y minerales (extraído de https://www.istockphoto.com/es).
El mencionado artículo ha sido dividido en 10 secciones que abordan aspectos desde sistemas de tratamiento de efluentes y emisiones hasta sistemas de intensificación y recuperación de energía pasando por la necesidad de la sostenibilidad de cadena de suministros y valorización de residuos y biomasa vegetal. Con esto y por la amplitud de los temas tratados, el presente blog presentará los primeros temas desde sistemas de recuperación de energía hasta técnicas de remediación de aire, agua y suelo. Queda para la segunda parte (próximas ediciones, aún en este 2024) la discusión de temas como valorización de biomasa, intensificación de procesos y métodos de Análisis de Ciclo de Vida como principales desafíos.
En relación a los sistemas de recuperación de energía y calor para el desarrollo sostenible en LAC, se presentan varios estudios y publicaciones que discuten la optimización y el diseño de redes de intercambiadores de calor, la minimización del consumo de agua y energía, y la integración de energía solar y otras fuentes de energía renovables en procesos industriales como el hidrógeno verde. En esta sección son imperdibles los modelos de programación lineal y la integración de ciclos de Rankine orgánicos regenerativos en procesos industriales.
La sección dedicada al tratamiento de agua en LAC se destacan los avances recientes en el tratamiento de agua contaminada con compuestos químicos de diverso origen, hidrocarburos, antibióticos, metales pesados, tintes, etc. que provienen de la descarga directa de aguas residuales de las industrias textil, plástica, del cuero, cosmética, papelera, de impresión y de procesamiento de alimentos al medio ambiente. Estas industrias requieren el uso de tecnologías de tratamiento adecuadas para reducir la concentración de estos contaminantes en efluentes industriales y garantizar estándares ambientales. Entre las estrategias que se hace mención están la utilización de polímero catiónico (Amberlite IRA 402) en pruebas de lote para adsorber tintes y el estudio de factores experimentales como la cantidad de resina, la concentración de materia orgánica, el tiempo de interacción óptimo y el pH. También se mencionan los tratamientos de Fenton anódico (AFT) para tratar pequeños volúmenes y bajas concentraciones de contaminantes orgánicos en tiempos de tratamiento cortos, utilizando reactores de banco a escala con diferentes configuraciones.
Hay más, Segovia y colaboradores trata también de las iniciativas de remediación de suelos y aire. Para el suelo, destacan los esfuerzos realizados para remediación por contaminación con hidrocarburos, pesticidas y metales pesados. Se menciona el uso de técnicas como el lavado de suelo asistido por surfactantes, además, se discute la efectividad de plantas de invierno en la fitorremediación de suelos contaminados con herbicidas y el uso de hierro cero-valente y complejos hierro-cobre en la remediación de suelos con pesticidas. Además, se resalta la necesidad de desarrollar estrategias de remediación específicas y la importancia de la investigación multidisciplinaria para entender las vías de liberación de contaminantes al medio ambiente.
Para el aire, se aborda la contaminación atmosférica y su impacto en el calentamiento global, identificando gases de efecto invernadero como fluorados, óxido nitroso, metano y dióxido de carbono. Se presentan estrategias de gestión y tratamiento para transformar estos contaminantes en formas menos peligrosas como el uso de TiO2 (dióxido de titanio) y nanofotocatalizadores en aplicaciones como la purificación de agua y aire, desinfección y esterilización de suelos. En asociación a la aplicación se describen rutas industriales tradicionales y nuevas para la producción de nanofotocatalizadores.
Además, se menciona trabajos acerca de la actividad y estabilidad de catalizadores bimetálicos de oro-iridio para la oxidación de compuestos orgánicos volátiles a bajas temperaturas, destacando su sinergia. Como se ve el principal enfoque de remediación de emisiones en LAC está enfocado en el desarrollo de nuevos materiales.
En resumen, América Latina tiene el potencial para desarrollar tecnologías industriales que permitan una producción sostenible de bienes y servicios, esperemos que, el impacto de fuentes antropogénicas en la explotación de los recursos, el medio ambiente sea mucho más consciente pues llegamos a la capacidad de soporte de la tierra lo que abre desafíos y oportunidades para generaciones futuras de ingenieros químicos.
Figura 2. Recursos humanos – nuevas generaciones de ingenieros químicos (extraído de https://www.istockphoto.com/es).
El presente blog fue escrito com la assistência de herramentas de IA. Especificamente, el Chatpdf (https://www.popai.pro) resumió las secciones del artículo en referencia.
Referencia
- Juan Gabriel Segovia-Hernández, Salvador Hernández, Enrique Cossío-Vargas, Eduardo Sánchez-Ramírez. Tackling sustainability challenges in Latin America and Caribbean from the chemical engineering perspective: A literature review in the last 25 years, Chemical Engineering Research and Design, 188, Pages 483-527, 2022. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.10.012.
CRISPR a la carte - Alejandra Ratti Parandelli
Escrito por:
UTEC
El proyecto del laboratorio de Vayu Hill-Maini utiliza un conjunto de herramientas de biología sintética modular en la ingeniería de hongos comestibles para mejorar su valor nutricional y atractivo sensorial. Los investigadores desarrollaron un kit de herramientas para Aspergillus oryzae, un hongo comestible utilizado en alimentos fermentados y como alternativa a la carne. Este kit incluye métodos CRISPR-Cas9 para integración génica, loci neutros y promotores ajustables.
Los investigadores utilizaron estas herramientas para aumentar los niveles intracelulares de ergotioneína, un nutracéutico, y de hemo, una molécula que aporta sabor y color, en la biomasa comestible. La cepa que sobreproduce hemo tiene un color rojo y se puede formular fácilmente en hamburguesas vegetarianas con un procesamiento mínimo. Estos hallazgos resaltan el potencial de la biología sintética para mejorar los alimentos fúngicos y proporcionar herramientas genéticas útiles para la producción de alimentos y otras aplicaciones.
El sistema alimentario global es uno de los principales contribuyentes al cambio climático, y la transición hacia métodos de producción más sostenibles, como los procesos microbianos, es crucial para mitigar el impacto ambiental y alimentar a una población en crecimiento. Los hongos filamentosos, que incluyen setas y mohos, son prometedores para la producción de alimentos microbianos debido a su alta capacidad secretora de proteínas y su capacidad para degradar y crecer en sustratos complejos, lo que reduce la dependencia de ingredientes purificados como la glucosa.
Estos avances permiten una mayor eficiencia y control en la ingeniería genética de hongos comestibles, lo que podría llevar a nuevas aplicaciones en la producción de alimentos y otros campos. Entonces a partir de estos hallazgos, cabe preguntarse:
¿Cómo se utiliza el kit de herramientas de biología sintética modular para la ingeniería genética de Aspergillus oryzae?
El kit de herramientas de biología sintética modular para A. oryzae se utiliza para realizar ingeniería genética de manera precisa y eficiente. Este kit incluye varios componentes clave:
Método CRISPR-Cas9: Se emplea para modificar genes con precisión. En lugar de usar plásmidos para expresar Cas9 y los ARN guía (sgRNA), el método involucra la transformación directa de complejos de Ribonucleoproteína (RNPs) formados in vitro a partir de proteína Cas9 y sgRNAs comercialmente disponibles.
Loci neutros: Estos son lugares específicos en el genoma donde se pueden insertar genes de manera predecible y sin afectar las funciones celulares esenciales.
Promotores ajustables: Incluyen promotores bidireccionales y un sistema de expresión sintética que permite una fuerte expresión génica independiente de la composición del medio de cultivo.
Para utilizar el kit de herramientas, los investigadores diseñan experimentos que involucran la integración de genes heterólogos en los loci neutros utilizando el método CRISPR-Cas9. Por ejemplo, en el estudio se utilizó este enfoque para sobreproducir ergotioneína, un potente antioxidante, y para pensar la vía biosintética del hemo para mejorar el sabor y el color de la biomasa fúngica comestible.
¿Cuáles son las implicaciones del uso de filamentos fúngicos en la transición hacia un sistema alimentario más sostenible?
Los filamentos fúngicos, que incluyen setas y mohos, tienen implicaciones significativas en la transición hacia un sistema alimentario más sostenible por varias razones:
Eficiencia de recursos: La producción de alimentos a partir de filamentos fúngicos puede ofrecer una mayor eficiencia en el uso de recursos en comparación con la agricultura animal intensiva. Los hongos pueden crecer en sustratos complejos, como subproductos alimenticios o lignocelulosa, reduciendo la dependencia de ingredientes purificados como la glucosa. Esto disminuye la carga ambiental y los costos asociados con la producción de alimentos.
Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero: La sustitución de parte de la proteína animal por micoproteína fúngica podría reducir las emisiones de metano y la deforestación, con la consiguiente disminución de las emisiones de CO2. Esto es crucial para mitigar el cambio climático.
Seguridad y control de producción: Los procesos microbianos para la producción de alimentos pueden ofrecer un control más preciso sobre la producción, lo que puede mejorar la seguridad y la calidad de los alimentos.
Reducción del sufrimiento animal: La transición a métodos de producción de alimentos basados en microbios puede reducir el sufrimiento animal asociado con la agricultura industrial.
Versatilidad y comercialización: Los filamentos fúngicos se han utilizado históricamente en alimentos fermentados y ahora se están explorando en productos como alternativas a la carne. La micoproteína, por ejemplo, puede ser formulada para imitar la textura de la carne, ofreciendo una alternativa convincente para los consumidores que buscan reducir su consumo de productos animales.
Potencial para la ingeniería genética: El desarrollo de herramientas de biología sintética para filamentos fúngicos comestibles, como Aspergillus oryzae, permite la modificación genética precisa para mejorar el valor nutricional y el atractivo sensorial de los alimentos fúngicos. Esto podría llevar a nuevos productos alimenticios con perfiles nutricionales mejorados y características sensoriales atractivas.
En resumen, los filamentos fúngicos ofrecen un potencial prometedor para revolucionar el sistema alimentario global, proporcionando alternativas sostenibles a los productos animales y contribuyendo a la reducción del impacto ambiental de la producción de alimentos.
Bibliografía:
Maini Rekdal, V. et al. (2024) ‘Edible mycelium bioengineered for enhanced nutritional value and sensory appeal using a modular synthetic biology toolkit’, Nature Communications, 15(1). doi:10.1038/s41467-024-46314-8.
Una nueva herramienta de edición genética ha llegado: Bridge RNA
Escrito por:
UTEC
La tecnología CRISPR (Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas) es una técnica de edición genética que actúa como "tijeras" moleculares utilizando una molécula de ARN como guía de corte. Esta herramienta a menudo se usa para cambiar una o, como máximo, unas pocas bases de ADN. Rompe las dos hebras de ADN y luego el sistema de reparación del ADN de la célula vuelve a unir las hebras con las nuevas mutaciones o deleciones. Sin embargo, el método expone los cortes del ADN, lo que abre la puerta a errores no deseados. Se ha estimado que CRISPR tiene una tasa de error de alrededor del 4-5%. Aunque la edición no es perfecta, CRISPR ha revolucionado la industria biomédica y la medicina al permitir ediciones directas de genes. Como se mencionó anteriormente, CRISPR es adecuado para ediciones pequeñas, pero no para ediciones grandes. El reciente descubrimiento de un mecanismo de edición molecular conocido como "ARN puente", encontrado en bacterias, podría superar las limitaciones de CRISPR.
La técnica del ARN puente explota los mecanismos de las secuencias genéticas móviles (o "genes saltarines") dentro del genoma a través de la escisión y ligación, lo que permite la modificación de la información del ADN mediante inserción, escisión e inversión sin exponer el ADN cortado, a diferencia de CRISPR. Una enzima llamada recombinasa utiliza dos bucles (CRISPR usa solo uno) de una molécula única de ARN puente. Un bucle reconoce la secuencia donante, que puede ser larga, y el otro el ADN diana. Los sitios donantes y objetivos se pueden seleccionar diseñando las secuencias del ARN puente. Esta nueva herramienta de edición de genes fue posible gracias al trabajo del laboratorio de Patrick Hsu en el Instituto Arc en Palo Alto y colaboradores de la Universidad de Tokio.
La herramienta del ARN puente se basa en el mecanismo utilizado por los "genes saltarines" como IS110 (elementos de secuencia de inserción 110) que se escinden y ligan dentro y entre los genomas microbianos. Los elementos IS110 consisten solo en un gen que codifica la enzima recombinasa, flanqueado por ADN que se une para producir una molécula de ARN (el ARN puente), que se pliega en dos bucles. Un bucle se une al ADN donante, mientras que el otro bucle se une al ADN objetivo donde se insertará el elemento de secuencia. El ARN puente se une al ADN donante y al ADN diana a través de interacciones de emparejamiento de bases.
La técnica del ARN puente podría permitir el reemplazo de genes dañados en el cáncer o en condiciones hereditarias, así como la eliminación de segmentos de ADN que promueven trastornos neurodegenerativos como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y la enfermedad de Huntington. En general, el ARN puente tiene el potencial de ser más revolucionario que CRISPR al permitir modificaciones a gran escala del genoma.
Referencias:
Patrick Hsu et al. Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07552-4. www.nature.com/articles/s41586-024-07552-4
Hiraizumi, M et al. Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07570-2 www.nature.com/articles/s41586-024-07570-2