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Administración y Negocios Digitales Administración y Negocios Sostenibles Business AnalyticsDispositivos microfluídicos que transforman y revolucionan la precisión y la eficiencia
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UTEC
Los dispositivos de microfluidos han marcado el comienzo de una nueva era de innovación, cautivando a la comunidad científica con su notable capacidad para manipular fluidos a escala minúscula. Estos dispositivos representan un gran avance en el campo y ofrecen precisión, eficiencia y versatilidad sin precedentes. Como investigador que busca constantemente herramientas novedosas para avanzar en mi trabajo, estoy profundamente impresionado por el poder transformador de los dispositivos de microfluidos.
Una de las características más destacadas de los dispositivos de microfluidos es su capacidad para manejar pequeñas cantidades de fluidos, a menudo en el rango de microlitros o incluso nanolitros. Esto no sólo conserva valiosos reactivos y muestras, sino que también permite realizar experimentos complejos que antes eran inconcebibles. Ya sea la mezcla precisa de múltiples reactivos, la separación eficiente de biomoléculas o la creación de gradientes complejos, los microfluidos otorgan a los investigadores un control incomparable sobre sus configuraciones experimentales. La adaptabilidad de los dispositivos de microfluidos es realmente sorprendente. Estos dispositivos se pueden adaptar a diversas aplicaciones, desde biología y química hasta ciencia e ingeniería de materiales. Actualmente con bastante facilidad se pueden diseñar plataformas de microfluidos para imitar condiciones fisiológicas, lo que permitía a los investigadores simular de cerca escenarios del mundo real biológico. Esto no sólo mejoran la precisión de los resultados sino que también aceleran el ritmo de los descubrimientos al permitir una experimentación de alto rendimiento.
En la práctica, los dispositivos de microfluidos tienen una clara ventaja a los procesos de laboratorio tradicionales que demandaban una cantidad significativa de tiempo y recursos. Ahora con los dispositivos de microfluidos se pueden ejecutar estos experimentos en una fracción del tiempo. Ademas, la integración de múltiples pasos dentro de un solo dispositivo reduce el riesgo de contaminación, optimiza los flujos de trabajo y garantiza resultados consistentes y confiables. Esta naturaleza compacta es una gran ayuda para los laboratorios ya que maximiza la utilización de áreas limitadas de trabajo. Usar estos dispositivos es sorprendentemente sencillo debido a la gran cantidad de recursos disponibles que comprenden desde software para diseño y simulación hasta manuales completos para fabricación y operación. Ademas hay grupos online donde los investigadores comparten abiertamente sus ideas, fomentando un entorno de apoyo tanto para los recién inician como para los expertos. Los dispositivos de microfluidos han revolucionado el panorama de las pruebas de COVID-19 al permitir ensayos de diagnóstico rápidos y precisos. Estos dispositivos pueden procesar pequeños volúmenes de muestras de pacientes y brindar resultados en minutos. Mediante la integración de varios pasos (preparación de muestras, amplificación y detección) en una sola plataforma, los dispositivos de microfluidos mejoran la eficiencia y reducen el riesgo de contaminación. Esta capacidad ha sido particularmente crucial en entornos de alto riesgo como hospitales, aeropuertos y centros de pruebas comunitarios.
Los dispositivos de microfluidos han sido fundamentales para llevar las pruebas al punto de atención. Estas plataformas portátiles y fáciles de usar permiten a los proveedores de atención médica realizar pruebas al lado de la cama, eliminando la necesidad de enviar muestras a laboratorios centrales y agilizando la atención al paciente. Su adaptabilidad y facilidad de uso han sido fundamentales para ampliar la capacidad de prueba, especialmente en entornos con recursos limitados. Los dispositivos de microfluidos también han desempeñado un papel vital en la aceleración del desarrollo y la investigación de vacunas. Permiten la manipulación precisa de células inmunes y antígenos, lo que ayuda en el diseño y optimización de candidatos a vacunas. Además, los microfluidos facilitan el estudio de las respuestas inmunitarias a nivel unicelular, arrojando luz sobre cómo reacciona el cuerpo al virus y a las posibles vacunas.
Los dispositivos de microfluidos ofrecen una plataforma invaluable para probar posibles medicamentos y terapias antivirales. Los investigadores pueden crear microambientes que imiten los tejidos humanos, permitiendo el estudio de las interacciones farmacológicas y sus efectos sobre el virus. Estos dispositivos también ayudan a comprender el comportamiento del virus y a identificar posibles objetivos farmacológicos. Los dispositivos de microfluidos no están exentos de desafíos como cualquier tecnología. Las complejidades de fabricación y la posibilidad de que se produzcan obstrucciones o fugas pueden plantear dificultades, pero con la práctica y la cantidad de recursos disponibles esto se puede superar. Además, si bien los costos iniciales de equipos y materiales pueden ser altos, los ahorros a largo plazo en reactivos y mano de obra justifican la inversión.
En esta era sin precedentes, los dispositivos de microfluidos han demostrado ser herramientas innovadoras y versátiles. Su impacto se extiende mucho más allá de la COVID-19 y promete avances en el diagnóstico, la atención sanitaria y la investigación en diversas disciplinas. En conclusión, los dispositivos de microfluidos son una herramienta revolucionaria. Su capacidad para miniaturizar y controlar con precisión los procesos fluídicos abre la puerta a un mundo de posibilidades, desde avanzar en el diagnóstico médico hasta desentrañar las complejidades del comportamiento celular. Los avances que permiten no son meramente incrementales; son transformadores e impresionantes.
Fig. 1. Las plataformas de microfluidos son dispositivos de miniaturización con alta precisión y exactitud que tienen la capacidad de alto rendimiento, alta eficiencia analítica y automatización.
Actualmente profesores de Bioingeniería de UTEC se encuentran trabajando en proyectos relacionados a los dispositivos de microfluídica con aplicaciones biológicas. Si estás interesado en ser parte de los proyectos que esperas: ¡Únete a Bioingeniería de la UTEC!
Por: Paul Cárdenas Lizana
References
J.S. Kim et al. Microfluidics in healthcare: recent advancements and future prospects Biosens. Bioelectron. (2017)
L. Zhang et al. Microfluidics in pharmaceuticals: recent developments, challenges, and future prospects J. Control. Release (2020)
Y. Li et al. Microfluidics in drug discovery and development Expert Opin. Drug Discov. (2018)
J.S. Kim et al. Microfluidics-based platforms for personalized medicine Biosens. Bioelectron. (2018)
J. Li et al. Microfluidic technologies for the manufacturing of pharmaceuticals Expert Opin. Drug Deliv. (2019)
Lijuan Ma et al., Advances in application and innovation of microfluidic platforms for pharmaceutical analysis, TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 160, 2023, 116951, ISSN 0165-9936
Especialista internacional en automatización logística da clases maestras en UTEC
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UTEC
La tendencia en los almacenes a nivel mundial va indudablemente hacia la robotización y automatización. Esto ya se aprecia con mayor claridad en sectores como retail y alimentos. Por ejemplo, en el continente europeo existen, al menos, 40 almacenes completamente automatizados con un número reducido de personas u operadores. Este panorama fue analizado por René de Koster, experto global en logística y gestión de operaciones de Países Bajos, en dos eventos realizados en el campus de la universidad. El primero una charla magistral frente a estudiantes de Ingeniería Industrial y otras carreras y el segundo, un conversatorio con empresas líderes del sector logístico y retail del país.
De Koster, invitado especial de la carrera de Ingeniería Industrial, se ha posicionado como un referente mundial en la investigación sobre diseño y operación de centros de distribución y terminales portuarios con más de 230 publicaciones habiendo sido director del Departamento de Tecnología y Gestión de Operaciones de la Rotterdam School of Management (RSM), Universidad de Erasmus, en los Países Bajos.
De acuerdo con él, la tendencia a la automatización y robotización en el sector debe ir también de la mano con la búsqueda del bienestar de los trabajadores, ya que al tener personas comprometidas con la empresa, el rendimiento será mejor para aprovechar la flexibilidad que ofrecen las personas. Es por ello que vale la pena invertir en la satisfacción laboral, además de la robotización en los almacenes.
Los resultados de sus investigaciones demuestran que a través de retroalimentación, el uso de metas e incentivos se pueden aumentar la productividad, pero mejorar la calidad y seguridad es más desafiante. Al respecto, sus investigaciones encontraron que el liderazgo transformacional impacta en tener menor incidencia de accidentes.
"Se tienen que mejorar las tecnologías que se puedan usar, pero todavía se necesitará de operadores. Si no tienes personas comprometidas detrás o si los operadores no están acostumbrados a trabajar con estas máquinas, se van a ir a trabajar para otra empresa, por lo que tendrás que capacitar a alguien más, lo que requiere mucho más esfuerzo. Es mejor retener a tus propios trabajadores competentes. Si se hace la implementación adecuada con la automatización y los robots, será especialmente para quitar la parte monótona y repetitiva del trabajo. La parte interesante quedará para las personas, ya que suele ser difícil de automatizar”, recalcó el especialista, quien fue invitado especial de la carrera de Ingeniería Industrial para este evento.
En el Perú existen experiencias relevantes en automatización de almacenes y operaciones logísticas. Uno de los que se dio a conocer a través de medios es el de Falabella, que, a inicios de este año, inauguró su primer almacén robotizado de pedidos online. Del mismo modo, Ferreyros, representante de Caterpillar en Perú, dio a conocer que viene implementando el uso de robots para agilizar el 50% de los repuestos en su centro de distribución, permitiéndoles reducir los tiempos de atención a los clientes y lograr un despacho más eficiente a las sucursales.
“Desde la visión de De Koster, no solo hay que actualizarse y conocer las últimas tendencias de almacenaje, sino también desarrollar una visión a futuro de lo que pueden hacer las empresas peruanas identificando los retos de hoy y del mañana y además destacar el papel del empleado como un engranaje clave dentro de todo que potencia la flexibilidad”, destacó José Larco, director de la carrera de Ingeniería Industrial de UTEC.
Mujer paralizada habla por primera vez después de 18 años
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Hace dieciocho años, Ann que entonces tenía 30 años, sufrió un derrame en el tronco encefálico que la dejó gravemente paralizada, perdiendo el control de todos los músculos de su cuerpo. Al principio ni siquiera podía respirar por sí misma. Hasta el día de hoy, los médicos aún desconocen las causas del derrame.
Un grupo de investigadores de la Universidad de California liderado por el Dr. Edward F. Chang ha desarrollado una interfaz cerebro-computadora que decodifica las señales cerebrales de la paciente (Ann) y las convierte en voz sintetizada que un avatar digital pronuncia en voz alta. Este avatar, al mismo tiempo, reproduce movimientos faciales, haciendo que la mandíbula se abra y se cierra y los labios se muevan. También es capaz de recrear los movimientos faciales de alegría, tristeza y sorpresa. El sistema puede convertir estas señales en texto a una velocidad de 78 palabras por minuto, con una tasa media de error de palabras del 25%, superando sistemas similares. En lugar de reconocer palabras completas, el sistema identifica fonemas, unidades mínimas sonoras del habla, mejorando la velocidad y la precisión. El sistema solo necesitó aprender 39 fonemas para descifrar cualquier palabra en inglés. A fin de capturar las señales, los investigadores implantaron 253 electrodos de matriz sobre la superficie del surco lateral (cisura de Rolando) del cerebro de la paciente. Estos electrodos se conectaron a través de un cable a un puerto fijado a su cabeza, que es utilizado para enviar las señales eléctricas cerebrales a las computadoras. Para crear la voz digital del avatar, el equipo ideó un algoritmo de inteligencia artificial para reconocer señales cerebrales únicas para el habla. Luego, se usó la voz de la paciente antes de la lesión, extraída de una grabación de ella hablando en su boda.
Este trabajo de investigación desarrollado por los departamentos de Bioingeniería de la Universidad de California en Berkeley y en San Francisco, ofrece la posibilidad a usuarios que no pueden hablar de comunicarse casi a la misma velocidad que las personas sanas y de tener conversaciones mucho más fluidas. Este es un ejemplo notable de cómo la Bioingeniería puede ayudar a mejorar la calidad de vida de personas que padecen daños corporales permanentes.
Por: Harry Saavedra
Referencias
Metzger, S.L., Littlejohn, K.T., Silva, A.B. et al. A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06443-4 GitHub - UCSF-Chang-Lab BRAVO/multimodal-decoding: Code associated with the paper titled "A high- performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control" , published in Nature in 2023.
https://www.youtube.com/watch?v=iTZ2N-HJbwA
Paralyzed woman speaks for first time in 18 years
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Eighteen years ago, Ann, then 30, suffered a brain stem stroke that left her severely paralyzed, losing control of every muscle in her body. At first she couldn't even breathe on her own. To this day, doctors still do not know the causes of stroke.
A group of researchers at the University of California led by Dr. Edward F. Chang has developed a brain-computer interface that decodes the patient's (Ann) brain signals and converts them into synthesized speech that is spoken aloud by a digital avatar. This avatar reproduces facial movements involving the jaw and lips when necessary. The avatar is also able to recreate the facial movements of joy, sadness, and surprise in order to show feelings. The system can convert brain signals to text at a speed of 78 words per minute, with an average word error rate of 25%, surpassing existing technologies. Instead of recognizing full words, the system identifies phonemes, which are the smallest units of speech, improving speed and accuracy. The system only needed to learn 39 phonemes to decipher any English word. In order to capture the signals, researchers implanted 253 array electrodes on the surface of the lateral sulcus (fissure of Rolando) of the patient's brain. These electrodes connect via a wire to a port (attached to the head), which is used to send the brain's electrical signals to computers. To create the avatar's digital voice, the team devised an artificial intelligence algorithm to recognize unique brain signals for speech. Then, researchers used the patient's voice before the injury, using a recording of her wedding speech.
This work developed by the Bioengineering departments of the University of California at Berkeley and San Francisco offers users who cannot speak the possibility of communicating almost at the same speed as healthy people and having much more fluent conversations. This is a remarkable example of how Bioengineering can help improve the quality of life of people who suffer permanent damage.
References
Metzger, S.L., Littlejohn, K.T., Silva, A.B. et al. A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06443-4
GitHub - UCSF-Chang-Lab-BRAVO/multimodal-decoding: Code associated with the paper titled "A high- performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control" , published in Nature in 2023.
https://www.youtube.com/watch?v=iTZ2N-HJbwA
Los Bacteriófagos en la obtención de anticuerpos a bajo costo (SPY-DISPLAY)
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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.
