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Rosas biónicas, implantadas con circuitos electrónicos

Los científicos de materiales están desconcertados por estas plantas cableadas con hojas que cambian de color. Las rosas fueron infiltradas con polímeros conductores en sus hojas o tallos

Cada rosa tiene su espina… pero las rosas cultivadas en un laboratorio sueco tienen también transistores y electrodos.

Investigadores de la Universidad de Linköping han creado rosas biónicas al incorporar en ellas materiales electrónicos compatibles con un vegetal. Una de sus rosas modificadas tiene circuitos digitales simples que corren por su tallo, y las hojas de otra cambian de color cuando se les aplica un voltaje.

Los científicos quieren crear herramientas para que los biólogos registren o regulen la fisiología vegetal, un equivalente en las plantas de los implantes médicos como los marcapasos. El uso de componentes electrónicos también puede ser una manera de diseñar plantas en lugar de manipular su ADN, añade Magnus Berggren, un científico de materiales en la Universidad de Linköping que dirigió la investigación, publicada en Science Advances.

Los científicos de materiales dicen que les gusta la creatividad de Berggren, pero que no están seguros de qué hacer con los experimentos. «Parece novedoso, pero no estoy seguro exactamente de las implicaciones. Pero esto es ciencia y curiosidad científica, supongo», dice Zhenan Bao, que trabaja con electrónica orgánica en la Universidad de Stanford en California. Christopher Bettinger, ingeniero biomédico en la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pennsylvania, que desarrolla materiales electrónicos comestibles y biodegradables, llama al trabajo: «novedoso, divertido y estimulante».

Cableadas

La idea de plantas biónicos no es nueva. El año pasado, Michael Strano, un ingeniero químico en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, mostró que los cloroplastos de espinaca aceptan nanotubos de carbono, por ejemplo. Informó que éstos impulsaron la tasa de fotosíntesis de las plantas debido a que los nanotubos absorben la luz en longitudes de onda que los cloroplastos no lo hacen.

Pero en el caso del trabajo del equipo de Suecia es la primera vez que los investigadores han incorporado todos los componentes de un circuito electrónico —incluyendo transistores (interruptores electrónicos)— dentro de las plantas.

Berggren comenzó sumergiendo el extremo cortado de un tallo de rosa en una solución de PEDOT, un polímero conductor que se utiliza comúnmente en la electrónica imprimible, que es soluble en agua. La acción capilar absorbe el polímero hasta en el tejido o el xilema vascular de la rosa. Allí, el polímero se separa de la solución y se auto-ensambla en forma de cables, algunos de hasta 10 centímetros. Al conectar sondas de oro recubiertas con PEDOT a los cables, los investigadores hicieron transistores individuales, y demostraron un circuito digital simple utilizando interruptores. El rendimiento eléctrico de los transistores está a la par con la de los circuitos impresos PEDOT convencionales, afirma Berggren.

A continuación, los investigadores pusieron hojas de rosa en una jeringa llena de solución de PEDOT mezclado con nanofibras de celulosa. Aplicando un vacío, expulsaron el aire de los tejidos, y luego impregnaron la solución de PEDOT en los espacios vacíos que quedaron. Cuando se aplica un voltaje, las hojas biónicas cambian de color sutilmente entre tonos verdosos y azulados.

El poder de las flores (Flower Power)

Bettinger especula que podría ser posible manipular una planta —comenzando un brote de crecimiento, por ejemplo— por medio de sus circuitos electrónicos integrados.

Pero Strano es escéptico: llenar el tallo, que es el transporte de agua de una rosa, y las hojas, que se ocupan del intercambio de gases, con un polímero conductor podría interferir con la transpiración de las plantas normales, dice.

 

 

Berggren dice que aunque la mayoría de los estudios iniciales se realizaron utilizando esquejes de plantas, el grupo también hizo que cambien de color las hojas de plantas completas. Estas plantas todavía siguen vivas meses más tarde, dice, y las hojas no se han caído. (Los experimentos con tallos modificados, sin embargo, solamente se llevan a cabo en esquejes de plantas).

El grupo está colaborando con biólogos para desarrollar aplicaciones en fisiología de monitoreo de las plantas. Berggren también está investigando si los dispositivos de PEDOT se pueden utilizar en un sistema que convierta a las plantas en células de combustible vivas, algo que se ha hecho con criaturas unicelulares pero no con plantas. Un sistema así convertiría directamente algunos de los azúcares de una planta en electricidad. «Lo llamamos flower power», afirma Berggren.

Nature doi: 10.1038 / nature.2015.18851

Fuente: Nature. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Activan las células del cerebro de gusanos con ultrasonido

La técnica, llamada Sonogenética, podría utilizarse para estimular neuronas específicas en forma no invasiva en otros animales

Los neurocientíficos han utilizado ultrasonidos para estimular células cerebrales individuales en un gusano, y es de esperar que la técnica —que ellos llaman ‘sonogenética’— podría ser adaptada para activar las neuronas de los ratones y de los animales más grandes.

La técnica se basa en las proteínas «canal» sensibles al tacto, que se pueden añadir a determinadas células del cerebro por medio de ingeniería genética. Los canales se abren cuando los impacta un pulso ultrasónico, que permite que los iones inunden una neurona y así hacer que se active.

El ultrasonido podría ser una manera menos invasiva para que los investigadores estimulen determinados tipos de células o neuronas individuales, en lugar de usar electrodos implantados o cables de fibra óptica, dice el neurobiólogo Sreekanth Chalasani, en el Instituto Salk para Estudios Biológicos en La Jolla, California, quien dirigió el estudio, en un informe en Nature Communications.

«Nuestra esperanza es crear una caja de herramientas de distintos canales que podrían, cada uno, responder a diferentes intensidades de ultrasonido», dice.

«Es una nueva idea genial, y ellos demuestran que esto en realidad podría ser factible», dice Jon Pierce-Shimomura, un neurocientífico que estudia el nematodo Caenorhabditis elegans en la Universidad de Texas en Austin. «Esto podría abrir una nueva manera de manipular el sistema nervioso de forma no invasiva a través de herramientas genéticamente codificables.»

Iluminar una célula

La investigación sigue los pasos de la optogenética, una popularizada técnica con una antigüedad una década, en la que las neuronas están diseñadas genéticamente para que puedan ser activados por la luz. La optogenética se basa en la inserción en las neuronas de proteínas con canales sensibles a la luz. Cuando les llega luz del color correcto, que a menudo se envía al cerebro a través de un cable de fibra óptica, los canales se abren, permitiendo que fluyan los iones.

La sonogenética no reemplazará la optogenética, dice William Tyler, un neuroingeniero que se especializa en la estimulación cerebral por ultrasonidos en la Universidad Estatal de Arizona en Tempe. «Sin embargo, con este trabajo, hay una herramienta más en el conjunto», dice.

Hace tiempo que se utilizan ultrasonidos para aplicaciones médicas. Estas ondas de baja intensidad ayudan a los médicos a monitorear fetos o el funcionamiento del corazón. Y se pueden utilizar pulsos ultrasónicos de alta intensidad para calentar y destruir ciertos tejidos enfermos. En los últimos años, dice Tyler, los investigadores han tomado un interés creciente en el uso de la ecografía como una forma no invasiva para estimular el cerebro y los nervios, tanto en animales como en humanos. Él y su equipo publicó uno de los primeros informes sobre la estimulación cerebral por ultrasonidos en los seres humanos en 2014.

Pero mientras que el trabajo anterior estimula regiones particulares del cerebro, la sonogenética muestra que es posible dirigirse a un tipo específico de célula, o a una neurona individual, dice Chalasani. Su equipo encontró que el canal iónico PRT-4 desempeña un papel clave para ayudar a que el gusano sienta las vibraciones, y podría ser manipulado para lograr efectos dramáticos.

Debido a que el ultrasonido no viaja bien a través del aire, los investigadores primero pusieron gusanos en una placa de petri, parcialmente sumergidos en un baño de agua. Enviaron una corta ráfaga de ultrasonido a la placa, y se amplificaron las ondas de baja presión agregando burbujas microscópicas de lípidos en la superficie de la placa de Petri, que resonó con las vibraciones.

Agregando la proteína TRP-4 en neuronas con funciones diferentes, los investigadores pudieron hacer que los gusanos se arrastraran libremente en sentido contrario, dejar de avanzar así, o hacer giros cerrados más frecuentes en respuesta a un breve pulso de ultrasonidos de baja presión.

Grandes ambiciones

En última instancia, Chalasani espera que la técnica se puede utilizar en otros animales. El equipo se está preparando para poner a prueba su sistema en ratones, aunque éstos no producen naturalmente el canal TRP-4, por lo que no está claro cómo se comportaría la proteína, o si podrían funcionar mejor otros canales iónicos.

En el gusano, el equipo de Chalasani vio indicios de que al menos otro canal iónico está sintonizado con ondas de ultrasonido de una presión ligeramente superior a la utilizada en la mayor parte del estudio. Esto abre la posibilidad de que los diferentes canales de iones podrían ser seleccionados, o incluso diseñados, para aplicaciones personalizadas, dice.

Aun si la sonogenética llega a ser ampliamente utilizada en la investigación básica, la traducción en los seres humanos todavía puede estar limitada por los desafíos de la manipulación genética de la expresión de canales iónicos en las personas, señala Chalasani. «Esa es una gran pregunta para ambos, la optogenética y la sonogenética: ‘¿Cómo se pone este canal en forma segura en la célula o células del tipo que nos interesa?’ »

 

 

Pero Tyler se pregunta si podría que no fuese necesario utilizar manipulaciones genéticas invasivas para utilizar los principios de la sonogenética en los seres humanos. Podría ser que los diferentes tipos de neuronas —debido a sus diferentes proteínas de canal y estructura física— sean intrínsecamente sensibles y, por lo tanto, controlables por diferentes secuencias de pulsos de ultrasonido, independientemente de si pueden ser diseñadas genéticamente.

«Esa es una posibilidad realmente fascinante, y este trabajo abre eso», dice.

Carácter doi: 10.1038/nature.2015.18368

Fuente: Nature News. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Opiáceos a partir de la levadura del pan

Un trabajo, fruto de la manipulación genética sobre una cepa de levadura, abre la puerta a producir de forma más rápida fármacos similares a la morfina

No se trata de un método sencillo, que se pueda hacer en casa con un poco de levadura. Lo que han logrado investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) es fruto de la manipulación genética, de años de investigación y de un amplio conocimiento en biología sintética. Sin embargo, este trabajo abre la puerta a la producción en un laboratorio de fármacos similares a la morfina con un método mucho más rápido a la manera tradicional de obtener los fármacos opiáceos.

La elaboración de fármacos a partir de microorganismos no es un tema nuevo. El ejemplo más evidente es el de los antibióticos, producidos a partir de bacterias u otros seres vivos. También, fruto de la biología sintética es el desarrollo, a partir de la modificación de una cepa de levadura, de la Artemisina semisintética, que asegurará un flujo homogéneo en la lucha contra la malaria.

Lo que la biología sintética puede aportar en el terreno de los opiáceos es hacer un método más rápido, y exento de las limitaciones climatológicas, de producir estos analgésicos y anestésicos. El opio es una droga que se extrae de la adormidera o Papaver somniferum, una planta cuyas cápsulas inmaduras contienen una savia que, al secarse, se convierte en una resina oscura que contiene alcaloides. Los principales alcaloides son la morfina, la codeína, tebaína, papaverina y noscapina. La codeína es, a su vez, la sustancia inicial para la obtención de otros alcaloides semisintéticos, como la hidrocodona. La tebaína, aunque no se utiliza con fines terapéuticos, es el alcaloide inicial para la fabricación de otros opiáceos como la oxicodona.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) clasifica estos compuestos como medicinas esenciales debido a su uso para tratar el dolor intenso y en el manejo de pacientes paliativos. En muchos países en vías de desarrollo, existe una escasez de estos fármacos. Según cifras de la OMS, unos 5.500 millones de personas tienen «bajo o inexistente acceso a tratamientos para el dolor moderado o intenso».

La explicación podría estar en la forma de obtener estos medicamentos ya que es necesario cultivar la adormidera, un proceso que es susceptible a numerosos problemas como plagas, enfermedades, alteraciones climatológicas que pueden mermar la producción industrial y dar lugar a desabastecimientos en algunos países. Cada año, se cultivan aproximadamente unas 100.000 hectáreas de opio con las que se obtienen unas 800 toneladas de opiáceos.

Adición de genes a las levaduras

Ante la carencia de estos analgésicos en muchos países, lograr un método más rápido de producción podría ser una buena alternativa a los cultivos de adormidera. Eso es lo que propone el grupo que lidera Christina Smolke, profesora asociada de Bioingeniería en Stanford. «Cuando empezamos a trabajar hace una década, muchos expertos pensaron que sería imposible diseñar levaduras para reemplazar todo el proceso de la granja a la fábrica. Sin embargo, ahora han podido ofrecer una prueba de concepto, es decir, un experimento en el que demuestran que las levaduras como la del pan se pueden modificar genéticamente para que den lugar a ciertos opiáceos, y en sólo unos días.

No obstante, no se puede hablar todavía de una revolución en marcha sino del inicio de algo prometedor. El método desarrollado por estos investigadores necesita unos 16.600 litros de levadura para producir una dosis única de opiáceos. «Esto es solo el comienzo», ha explicado en un comunicado Smolke. «La técnica la hemos desarrollado y hemos demostrado que los analgésicos opiáceos pueden adaptarse para producir muchos compuestos derivados de plantas para combatir el cáncer, las enfermedades infecciosas y las crónicas como la hipertensión y la artritis».

Lo que estos investigadores han hecho es transformar las levaduras para alterar su genoma y obligarlas a sintetizar ciertas sustancias al igual que se ha hecho con la artemisina. Sin embargo, la manipulación para obtener sustancias opiáceas requiere un trabajo más complejo ya que, tal y como informa el trabajo, si para obtener artemisina sintética se requirió añadir seis genes a la levadura, en el caso de los opiáceos, se ha necesitado añadir 23 genes. «Esta es la síntesis más complicada que hasta ahora se ha hecho con levaduras», ha señalado Smolke.

Lo que se persigue al añadir esos genes es que produzcan enzimas que fuerzan a la célula a transformar el azúcar en hidrocodona (una sustancia opiácea). Con otra cepa de levadura, el equipo ha logrado transformar el azúcar en tebaína, un alcaloide similar a la morfina.

Santiago Cuéllar, responsable del departamento de Acción Profesional del Consejo General de Colegios Farmacéuticos, insiste en que el desarrollo llevado a cabo por los investigadores de Standford es un logro desde un punto de vista científico «pero no una revolución. Hay alternativas que ellos no han contemplado en este artículo y que podrían ser útiles para la fabricación de fármacos».

Entre otras, este experto destaca los trabajos que se están realizando con otras técnicas como «la columna de cromatografía de síntesis o la química seca, que son procedimientos útiles para sintetizar moléculas no muy grandes sin usar diluyentes. Pero hay muchos otros».

 

 

El trabajo de Smolke ofrece una ventaja sobre el método actual de fabricación de opiáceos, destaca Cuéllar, y es que «ahora mismo la fuente principal de obtención de estas sustancias proceden del cultivo del opinio en zonas reguladas como Turquía. Se trata de una fuente natural sujeta a limitaciones varias como las climatológicas, conflictos de guerra, etc. La elaboración de opiáceos a partir de modificación de levaduras asegura la producción.

No obstante, este artículo describe una prueba de concepto, estamos en los inicios de esta vía para fabricar opiaceos. Ahora hay que llevar a cabo todo el proceso de desarrollo industrial, que es largo y costoso. Pero, si esto fuera una realidad, este procedimiento abarataría costes, se podría controlar la producción y aceleraría la fabricación».

Fuente: El Mundo. Aportado por Eduardo J. Carletti

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