DNA Origami: creando nanoestructuras con DNA

 

¿Qué es el DNA origami?

    El DNA origami es una técnica de ingeniería molecular en la que se utiliza el DNA como material de construcción para crear estructuras con formas y tamaños nanométricos precisos. Esta técnica fue desarrollada por primera vez en 2006 e inmediatamente se popularizó debido a las grandes ventajas que ofrece esta técnica de nanoconstrucción.

    El principio fundamental del DNA origami se basa en el hecho de que el DNA es una molécula extremadamente versátil y que puede ser diseñada de manera precisa para formar estructuras de nanoescala utilizando la capacidad de reconocimiento que existen en los 4 nucleótidos que lo forman: Adenina une a Timina, y Guanina a Citosina. Para crear nanoestructuras, se utiliza una cadena larga de DNA (de cadena sencilla) y se le da la forma deseada mediante la adición de DNAs pequeños, conocidos como oligonucleótidos. Estos oligonucleótidos se "pegan" a la cadena larga o "templado" de ADN en puntos específicos y lo van plegando de manera precisa para dar forma a la estructura final. Se puede pensar que la cadena larga de DNA es el "lienzo" y los oligonucleótidos son las "pinceladas" que terminarán creando una nanoestructura bien definida.

Figura 1. (A) Proceso de obtención de nanoestructuras con DNA Origami. (C-G) Ejemplos de algunas estructuras obtenidas. Imagen tomada de referencia.

     El DNA origami ha sido ampliamente utilizado en la nanotecnología y ha revolucionado nuestra comprensión de cómo se puede utilizar el ADN para crear estructuras de nanoescala. Además, esta técnica ha permitido a los científicos explorar nuevas formas de utilizar el DNA y su estructura para resolver problemas y desarrollar tecnologías innovadoras en campos como la biomedicina, la nanoelectrónica y la nanofabricación. 

Historia del DNA origami

    El DNA origami tiene sus raíces en la década de 1980, cuando el científico estadounidense Ned Seeman publicó un artículo en el que describía cómo se podían utilizar fragmentos de DNA para formar estructuras con tamaño nanométrico. Sin embargo, fue el trabajo en el año 2006 de un científico del Instituto Tecnológico de California, Paul Rothemund, el que llevó al desarrollo del DNA origami tal como lo conocemos hoy en día.

Figura 2. "Caritas felices" ("two smileys") hechas con DNA origami. Imágenes creadas por Nick Papadakis, P.W.K.R. y N.P (copyright).

    En su famoso artículo "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns", Rothemund describió cómo se podía utilizar una cadena larga de DNA como "lienzo" y darle forma mediante la adición de "pinceladas" de oligonucleótidos. Esto permitió a Rothemund crear estructuras de nanoescala con formas y tamaños precisos, como rectángulos, círculos, estrellas, "caritas felices", entre otras. Desde entonces se ha desarrollado una amplia gama de técnicas y herramientas para mejorar y optimizar el proceso de creación de DNA origami, lo que ha llevado a que esta técnica revolucione la nanotecnología.

Figura 3. Algunas de las nanoestructuras de DNA origami creadas por Paul Rothemund en su artículo del 2006 "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns".

¿Cómo se hace un DNA origami?

    El proceso es relativamente sencillo y se puede resumir en tres pasos principales: 

1) Diseño: En primer lugar, se diseña la estructura deseada utilizando software de diseño de DNA origami. El software más común es CadNano. Este software permite a los científicos especificar la forma y el tamaño de la estructura y generar la secuencia de DNA necesaria para crearla.

2) Síntesis: A continuación, se sintetizan los fragmentos de DNA necesarios para crear la estructura. Los oligonucleótidos se pueden producir utilizando la síntesis química en fase sólida, mientras que el DNA largo se obtiene del virus M13mp18, el cual se produce mediante bacteria E. coli.

3) Anclaje: Por último, se mezclan todos los componentes de DNA, en presencia del ion magnesio (Mg2+) a una concentración de decenas de milimolar, y se someten a un proceso térmico. Este consiste en un calentamiento a una temperatura entre 70-90 ºC y un enfriamiento por varios minutos u horas. En este proceso se "pegan" los oligonucleótidos de DNA a la cadena larga de DNA y se va generando la estructura de DNA origami deseada.

Ventajas y desventajas del DNA origami

    Al igual que cualquier otra tecnología, el DNA origami tiene sus propias ventajas y desventajas. Ventajas:

1) Precisión: Se pueden crear estructuras de nanoescala con formas y tamaños precisos, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieren un muy alto grado de precisión.

2) Versatilidad: El DNA origami se puede utilizar para desarrollar de manera rápida y expedita muchas formas diferentes en 2 y 3 dimensiones y hasta nanomáquinas y nanorobots.

3) Capacidad de programación: El DNA origami se puede programar para realizar diferentes tareas, lo que lo hace muy útil para aplicaciones que requieren una respuesta adaptativa.

Sin embargo, también hay algunas desventajas que deben tenerse en cuenta:

1) Complejidad: El proceso de creación de DNA origami es relativamente complejo y requiere un alto grado de habilidad y conocimiento para poder reproducir las nanoestructuras.

2) Costo: El proceso de creación de DNA origami puede ser relativamente costoso y requiere equipo especializado para analizar las nanoestructuras obtenidas.

3) Limitaciones: Todavía hay límites en cuanto al tamaño y la complejidad de las estructuras que se pueden crear.

Aplicaciones del DNA origami

    Las nanoestructuras creadas con la técnica de DNA origami tienen una amplia gama de aplicaciones en diferentes campos de la ciencia y la tecnología. Algunas de sus aplicaciones más importantes incluyen:

1) Uso en la nanotecnología: desarrollo de nuevos materiales y dispositivos que tienen aplicación como sensores, dispositivos de almacenamiento de datos y dispositivos de diagnóstico médico.

2) Uso en la biomedicina: vehículos de entrega de fármacos o cómo andamios para la producción de nanomateriales biocompatibles. Esto ha permitido a los científicos explorar el desarrollo de nuevos tratamientos médicos y terapias más efectivas.

3) Uso en la nanoelectrónica: desarrollo de nanocomponentes para crear dispositivos electrónicos más pequeños y más potentes.

4) Otros usos: el DNA origami tiene un gran potencial para ser utilizado en una amplia gama de campos, como la producción de materiales, la energía y la agricultura.

Figura 4. Nanobot creado con DNA origami. Este nanobot es capaz de reconocer células cancerígenas y liberar un fármaco anticancerígeno, fue publicado en el año 2012.

Futuro del DNA origami

    El DNA origami es una tecnología relativamente nueva que ha demostrado ser muy versátil y tiene un gran potencial para tener un impacto en diferentes campos de la ciencia y la tecnología. Aunque todavía hay algunas limitaciones y desafíos a los que se enfrenta, se espera que el DNA origami continúe evolucionando y que tenga un gran impacto en el futuro. Es importante seguir explorando y desarrollando esta tecnología para poder aprovechar al máximo su potencial y contribuir a avances significativos en diferentes áreas. Los creadores del DNA origami han recibido muchos premios y reconocimientos, sin embargo aún no han sido reconocidos con el premio Nobel. Desafortunadamente a principio del año 2022 Ned Seeman falleció, por lo que el único que podría ser reconocido es Paul Rothemund.

Para leer mas sobre el tema:

https://bionanotecnologias.blogspot.com/search/label/Bionanotecnolog%C3%ADa%20DNA%20Origami

Dr. Armando Hernández García

Investigador de la UNAM - Instituto de Química.

CRISPR-Cas: ¿Qué ha pasado a diez años de su aparición?

Vaya que han sido 10 años muy ajetreados para la tecnología CRISPR-Cas.

¿Qué son los sistemas CRISPR-Cas?

    Los sistemas CRISPR-Cas funcionan como tijeras moleculares que son programadas para cortar secuencias específicas DNA (o RNA) de forma muy eficiente y precisa.

Sistema CRISPR-Cas9. Imagen tomada de Wikipedia.

    

    El sistema más famoso es CRISPR-Cas9, el cual se compone de una molécula de RNA, llamado “RNA guía” o solo “gRNA”, que dirige a la proteína Cas9 hacia una secuencia específica de DNA para que lo corte. La secuencia de DNA que se quiere cortar es complementaria a la secuencia del gRNA (A une a T o U, y G a C). Dado que el gRNA funciona como un GPS molecular, puede ser intercambiado y dirigir a la proteína Cas9 para cortar cualquier secuencia deseada de DNA.

Su inicio fue disruptor

    Los sistemas CRISPR-Cas eran conocidos desde los 90s, pero solo eran una curiosidad científica y nada mas. Todo cambió hace 10 años (2012) cuando un grupo de científicos liderado por Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna publicaron por primera vez como cortar de manera programada cualquier DNA usando el sistema CRISPR-Cas9 con una versión mejorada de su RNA guía.

Diseños de Doudna y Charpentier en su publicación de 2012. Science©.

    

    Su publicación ha representado todo un nuevo paradigma en la ciencia biológica, ya que esta tecnología ha permitido programar los sistemas CRISPR-Cas para cortar a voluntad cualquier secuencia de DNA que se quiera y esto ha abierto las puertas para modificar cualquier genoma de manera fácil y rápida.

    Fue a partir de la publicación de Charpentier y Doudna que CRISPR-Cas dejó de ser un área obscura de investigación llevada a cabo por un puñado de científicos para volverse un parteaguas en las ciencias biológicas contemporáneas y tener profundas implicaciones a nivel mundial en la salud, la sociedad, la economía y la cultura humana.

Entonces ¿qué fue lo que pasó? 

Aquí va mi lista (no exhaustiva) de todo lo importante que ha pasado:

1. Descubrimiento de una gran diversidad de sistemas CRISPR-Cas útiles en biotecnología.
2. CRISPR-Cas se vuelve una navaja suiza molecular.    
3. Obtención del reconocimiento científico que culmina con el premio Nobel.
4. Amarga lucha judicial por el control de las patentes importantes. 
5. Creación de toda una industria basada en CRISPR-Cas y la aparición de nuevas empresas que buscan su aplicación masiva y comercial.
6. CRISPR-Cas está cerca de curar enfermedades genéticas.
7. Se usa para la creación de bebés "CRISPR" y la "resurrección" de especies extintas.
8. Animales modificados con CRISPR-Cas son aprobados por la FDA.
9. Intento de regulación y aparición de preguntas bioéticas.
10. La tecnología CRISPR-Cas tiene vastas perspectivas.

1. Descubrimiento de una gran diversidad de sistemas CRISPR-Cas útiles en biotecnología.

Diversidad de sistemas CRISPR-Cas. Royal Society of Chemistry©

    Años antes de la publicación de Charpentier y Doudna se sabía que existían dos clases importantes de sistemas CRISPR-Cas, los de clase I y II. Los primeros requieren múltiples proteínas Cas para llevar a cabo un corte en el DNA diana, mientras que los de clase II solo requieren de una proteína Cas para cortar.

    Cuando se hallaron los sistemas de clase II quedó claro para Charpentier y Doudna su potencial tecnológico, ya que esto facilitaba su uso para hacer cortes programados de DNA. Fue a partir de la publicación de Charpentier y Doudna que, como en la fiebre del oro, múltiples grupos científicos se volcaron a la búsqueda apresurada de nuevos sistemas CRISPR-Cas de clase II. Bases de datos genómicos previamente reportados, búsqueda en ecosistemas extremos, cualquier lugar que proveyera información biológica era una posible fuente de nuevos sistemas CRISPR-Cas.

    Fue en bases de datos de genomas donde se han logrado localizar múltiples sistemas CRISPR-Cas de clase II con nuevas propiedades y características útiles para aplicaciones biotecnológicas de todo tipo. Unos de los nuevos sistemas descubiertos fue el de Cas12a (inicialmente llamado Cpf1), el cual usa un gRNA más pequeño que Cas9, corta el DNA generando extremos pegajosos y es igual de eficiente en su corte. Después hallaron los sistemas Cas13 que cortan RNA en lugar de DNA, sistemas Cas más pequeños tales como SaCas9, CjCas9 o las miniCas. Cas derivadas de fagos gigantes, Cas con actividad de corte colateral de DNA (con Cas12a y Cas13a), Cas que termo-resistentes, estables en concentraciones altas de sal, más eficientes, más resistentes, aún más pequeños, nuevas familias de Cas organizadas de forma distinta o con orígenes distintos, etc. Además de los sistemas naturales, existen cientos de versiones modificadas de los sistemas CRISPR-Cas. Todo lo que empezó con CRISPR-Cas9 se ha tornado en un universo de sistemas CRISPR-Cas.

2. CRISPR-Cas se vuelve una navaja suiza molecular.    

Múltiples aplicaciones del sistema CRISPR-Cas9. Nature©

    Si bien CRISPR-Cas9 se usó inicialmente para cortar DNA, muy pronto se empezó a usar para otras aplicaciones que no requerían cortar el DNA.

    El avance crucial fue la identificación de los aminoácidos clave, histidina y ácido aspártico, que cortan químicamente el DNA. Al mutarlos, CRISPR-Cas9 pierde capacidad de llevar a cabo un corte del DNA pero sigue preservando su capacidad de reconocimiento de secuencias específicas y de programabilidad mediante un gRNA. Al fusionar a CRISPR-Cas9 cualquier otra molécula, es posible dotarla de nuevas funciones y aplicarlas en lugares específicos del genoma. Así nació la aplicación de CRISPR-Cas para activar o inhibir la expresión de genes, editar marcadores epigenéticos, manipular la forma de los cromosomas y del DNA, o para promover el auto-ensamble de particular tipo virus, editar bases nitrogenadas, entre otras.

3. Obtención del reconocimiento científico que culmina con el premio Nobel.

Nobel Prize©

    El premio Nobel, otorgado por la Academia Sueca de Ciencias, es quizás el premio científico de mayor prestigio ya que representa la culminación de todo un avance científico. En Octubre del 2020 se anunció que el premio Nobel en Química se otorgaba a Charpentier y Doudna “por el desarrollo de un método para la edición de genomas”. Esto selló la cúspide del reconocimiento al gran impacto científico que han tenido y que seguirían teniendo en los años venideros.

4. Amarga lucha judicial por el control de las patentes importantes. 

Batalla legal. StatNews©

    Desde el inicio de la tecnología CRISPR-Cas9 se desencadenó una guerra legal entre los dos lados que demandaban ser los genuinos inventores de la tecnología en los EEUU. Por un lado, Jeniffer Doudna representada por la Universidad de California Berkeley, y por el otro Feng Zhang, profesor de la Universidad de Harvard-MIT. El grupo de Feng Zhang fue el primero en ingresar la solicitud de la patente y en demostrar el uso de CRISPR-Cas para edición de células humanas y mamíferas.

    Los intereses en juego no son pocos, el dueño de la(s) patentes del uso de CRISPR-Cas9 y los gRNAs recibirá miles de millones de dólares en regalías y ganancias por licencias y hacer uso de la tecnología. Será quizás la tecnología biotecnológica más lucrativa de las siguientes décadas.

    Esta amarga batalla legal se ha extendido por casi 10 años debido a las demandas y contrademandas que se iban sucediendo conforme se daban decisiones por los tribunales. En varias ocasiones Feng Zhang ha sido declarado el verdadero propietario de la tecnología (ante la oficina de patentes de EEUU), sin embargo, Doudna y su equipo legal han contrademandado. En marzo de 2022 los tribunales han ratificado (de nuevo) a Zhang como el dueño de la patente y todo parece indicar que ya nada podrá hacerse en términos legales, pero nada se sabe en términos judiciales y la guerra podría continuar. La base de la decisión es que, si bien Doudna y Charpentier publicaron primero sus resultados en una revista científica, Feng Zhang ingresó una solicitud “acelerada” de patente.

5. Creación de toda una industria basada en CRISPR-Cas y la aparición de nuevas empresas que buscan su aplicación masiva y comercial.

  

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    La ingeniería genómica basada en tecnología CRISPR-Cas ha generado toda una nueva industria de la edición genética. Como hongos en un campo fértil, han sido creadas múltiples compañías start-up que buscan aplicar la tecnología CRISPR-Cas en muy diversas áreas. Buscan aplicar CRISPR-Cas para curar enfermedades genéticas, cáncer, enfermedades cardiovasculares, crear órganos para trasplantes, modificar animales y plantas de consumo masivo, generar nuevas versiones de alimentos, nuevos antibióticos, nuevos medicamentos, etc.

    Diversos estudios estimas que actualmente el valor de las compañías CRISPR asciende a 2 mil millones de dólares, pero para finales de esta década tendrán un valor de 8-10 mil millones de dólares, si no es que mas (estudio 1, 2, 3 y 4). Entre las empresas más prominentes están CRISPR Therapeutics, Intellia Therapeutics, Editas Medicine, Beam Therapeutics, Caribou, Mammoth Biosciences, Graphite Bio y eGenesis, principalmente dedicadas a edición genética con fines clínicos. Además, actualmente varias empresas farmacéuticas consolidadas (Regeneron Pharmaceuticals, Vertex and Novartis) tienen desarrollos basados en CRISPR-Cas.

6. CRISPR-Cas está cerca de curar enfermedades genéticas.

Anemia falciforme. Crédito: ShutterStock.com

    

    Desde el inició de CRISPR-Cas se supo que su aplicación estrella sería la de editar el genoma humano y con ello poder curar miles de enfermedades genéticas existentes. Esto sin duda sería un gran paso en la historia de la medicina. Hasta antes de CRISPR-Cas no teníamos una herramienta sólida y versátil para editar el genoma humano y por lo tanto curar enfermedades provocadas por mutaciones en el código genético. En el mejor de los casos sólo teníamos tratamientos paliativos. De hecho, ser portador de algunas de las mutaciones nocivas sigue representando una sentencia de muerte temprana para millones de personas.

    Las primeras enfermedades genéticas que se busca curar son la anemia falciforme y la beta talasemia. Estas son enfermedades sanguíneas hereditarias, ambas causadas por mutaciones en el gen que codifica para la proteína beta hemoglobina, importante para el transporte y distribución del oxígeno en todo nuestro organismo. 

    La anemia falciforme es causada por una sola mutación de un nucleótido ubicado en el inicio del gen de la hemoglobina. La mutación hace que los glóbulos rojos adquieran su característica forma de medialuna. Se estima que al menos 100,000 personas, en EEUU, principalmente de la comunidad afroamericana, sufren de anemia falciforme. La mutación causa anemia, infecciones, dolor y fatiga constante que afecta su desarrollo; y la única manera de paliar su problema es mediante la donación frecuente de sangre.

    Fue Victoria Grey, una mujer afroamericana de Luisiana, la primera persona en recibir un tratamiento de edición genética con CRISPR-Cas9 para curar genéticamente la anemia falciforme que ha padecido toda su vida. Hasta el momento los resultados han sido asombrosos y muy prometedores. Victoria ha logrado recuperar niveles de hemoglobina normal muy parecidos a los de personas sanas y sin necesidad de recibir transfusiones de sangre. Todo parece indicar que Victoria Grey será la primera mujer en curarse de la anemia falciforme.

    Existen cientos de estudios clínicos experimentales que cuentan con miles de pacientes participantes en donde se están tratando de curar otras enfermedades que no necesariamente tienen origen genético. Por ejemplo, leucemia y mielomas (cáncer de médula ósea), linfomas (cáncer del sistema linfático), hemofilia, diabetes, distrofia muscular de Duchene, fibrosis cística, angioedema hereditaria, amaurosis congénita de Leber, ceguera por retinitis pigmentaria, terapias inmuno-oncológicas, entre otras.

    Hasta el momento no existe un tratamiento aprobado por la FDA para su aplicación masiva y segura, pero se espera que el primer tratamiento se apruebe durante el año 2023.

7. Se usa para la creación de bebés "CRISPR" y la "resurrección" de especies extintas.

El científico He Jiankui creó las bebés "CRISPR". Crédito, a quien corresponda.

    

    La edición genética ha sido polémica porque cualquier cambio que se haga en el genoma es permanente. Sin embargo, la edición genómica de células germinales (óvulos y espermatozoides) y de embriones representa otro nivel de polémica debido a que cualquier modificación que se haga no solo es permanente, sino que también es heredable a sus hijos. 

    Fue en noviembre de 2018 cuando empezó a circular la noticia de que una mujer china había dado a luz a un par de gemelas, Lulu y Nana, cuyos embriones habrían sido editados con CRISPR-Cas9. La noticia se confirmó posteriormente. Lo que hace que Lulu y Nana sean los primeros seres humanos modificados genéticamente y que esos cambios pueden heredarlos a sus hijos. Las gemelas serían el inicio de un nuevo linaje de la especie Homo sapiens, el Homo sapiens 2.0, mientras que el científico chino responsable de los experimentos fue enviado a la cárcel (este año ya salió libre).

    La noticia fue un gran shock para la comunidad científica y las autoridades en su intento de regular y controlar el uso indebido de la tecnología. La edición de células germinales siempre ha sido una especie de frontera nunca atravesada; algo que siempre se había temido hacer y que tantas disputas y dilemas éticos había generado.

    El caso sigue generando controversias acaloradas. La comunidad científica aún no comprende bien que fue y cómo pasó, qué intenciones había, y que pasará, biológicamente hablando, con las gemelas. Sin embargo, ha quedado muy claro que la modificación de embriones humanos con CRISPR-Cas no cuenta con el apoyo mayoritario de la comunidad científica, de hecho, se ha demandado una moratoria en la edición genética de embriones humanos hasta tener claro las posibles consecuencias de cualquier edición y hasta madurar suficiente a la tecnología CRISPR-Cas de tal forma que se reduzcan sus riesgos al mínimo posible.

    La edición de embriones humanos no ha sido la única aplicación polémica que CRISPR-Cas ha generado. Se ha sugerido su uso para la des-extinción del mamut siberiano mediante la creación de quimeras genéticas entre elefantes y mamuts que ayudarían a detener la desaparición de la tundra y el permafrost siberiano. 

    También se están generando cerdos con genes humanos que sirvan como fuente masiva de órganos compatibles con los humanos y que ayuden a reducir la escasez de órganos que actualmente tiene a cientos de miles de personas entre la vida y la muerte.

8. Animales modificados con CRISPR-Cas son aprobados por la FDA.

Vaca modificada con CRISPR (izquierda) y no modificada (derecha). Nature Communications©

    

    Recientemente la FDA ha dado luz verde al primer animal modificado con CRISPR-Cas dado que posee un bajo riesgo respecto a la bioseguridad. Corresponde a una variedad de vaca modificada para que tenga pelaje delgado y así resistir el calor tropical donde es criado. Independientemente de su necesidad o no, la aprobación de estos animales modificados sentará un precedente regulatorio que abrirá la puerta para más organismos modificados con CRISPR-Cas. Este hecho también significa que en poco menos de 10 años se logró pasar de modificar con CRISPR-Cas células cultivadas en laboratorio a modificar un organismo grande y complejo como el de la vaca y a obtener la aprobación para su uso y explotación comercial por la agencia regulatoria más importante del mundo.

    Sobra decir que la modificación genética con CRISPR-Cas es muy diferente a la vieja tecnología de los transgénicos, además de que técnicamente es imposible de diferenciar la variante modificada de la no modificada, CRISPR-Cas solo edita, no adiciona genes foráneos. Aun así, Europa no ha permitido su uso.

9. Intento de regulación y aparición de preguntas bioéticas.

Ilustración de Dan Mitchell©

        

    La edición de los bebés "CRISPR" ha generado que muchos gobiernos se apresuren a regular su uso. La aparición de la tecnología CRISPR-Cas nos ha hecho preguntarnos ¿en qué deberíamos usar la tecnología CRISPR-Cas y en que no? ¿en qué casos estamos listos y en cuales es mejor esperar? ¿Qué consecuencias éticas, políticas, sociales y económicas traerá el uso de CRISPR-Cas? Desafortunadamente no hay respuestas claras ni definitivas para estos cuestionamientos éticos.

    Por un lado, se ha planteado que la modificación de células germinales no debería de hacerse por que aún no sabemos qué consecuencias traería. Se sabe que la tecnología es muy precisa y especifica al cortar, pero que sin embargo puede llegar a generar cortes en lugares no deseados con posibles consecuencias inesperadas. ¿En qué momento el beneficio supera al riesgo? ¿Es justo hacer esperar a las personas con enfermedades genéticas hereditarias que ven una posibilidad de curarse y evitar mas sufrimiento con el uso de CRISPR-Cas?. 

10. La tecnología CRISPR-Cas tiene vastas perspectivas.

    

    El panorama de CRISPR-Cas está cambiando muy rápidamente. Se están generando o hallando nuevos sistemas CRISPR-Cas que podrían reducir los riesgos o eliminar ciertos problemas que han sido señalados en sus inicios. Por otro lado, siempre está el cuestionamiento de que el uso de CRISPR-Cas para editar personas llevará a aumentar las desigualdades en la sociedad. Sin embargo, existen varias aplicaciones que son menos polémicas (aunque no exentas de ellas) y que pueden dar paso a beneficios claros en la sociedad. Este tipo de cuestionamientos se deben de discutir por todos los miembros de la sociedad y las opiniones emanadas de ella deben de ser consideradas por los órganos regulatorios para legislar acerca de para qué usar CRISPR-Cas y determinar dónde está el límite, el cual sobra decir, nunca será definitivo.

Armando Hernández García©

Nanomedicina (2 de 3)

Tecnologías clave en la Nanomedicina

    Debido a su versatilidad, la investigación en nanomedicina se aplica en prácticamente todas las especialidades médicas, sin embargo, en la actualidad la investigación destaca en áreas tales como la oncología (cáncer), neurología (enfermedades neurodegenerativas) y cardiología. (Tabla 1).

 "El primer medicamento nanoformulado 

      llamado Doxil se aprobó en 1995"

        Tabla 1. Áreas de interés de aplicación de la nanomedicina

    

    Dado que se deben superar diferentes fases de pruebas para garantizar la efectividad de los nanofármacos y controlar los riesgos asociados a ellos, es común que el desarrollo de una aplicación tecnológica de la nanomedicina llegue a tomar al menos una década o más, y por ello el éxito pleno llevará tiempo. 

    Sin embargo, se espera que en la próxima década haya una amplia cantidad de nuevos fármacos con componentes de origen nanotecnológico. Actualmente, varias decenas de materiales se encuentran en fase de estudio preclínico. 

    El primer medicamento nanoformulado llamado Doxil se aprobó en 1995 y en el tiempo transcurrido se han sumado varios mas. Actualmente hay varias decenas de nanomedicamentos aprobados o que están en ensayos clínicos. (Tabla 2).

        Tabla 2. Ejemplos de nanomateriales usados comercialmente

"se prevé que la nanomedicina contribuya al 

incremento en la esperanza y calidad de vida"

Impacto en la salud pública y la sociedad

    Es muy seguro que la nanomedicina tenga repercusiones sociales y económicas muy significativas y lleve a cambios profundos en las sociedades. Por ejemplo, se prevé que la nanomedicina contribuya al incremento en la esperanza y calidad de vida en habitantes de sociedades desarrolladas en los próximos años, y eventualmente también lo hará en países en vías de desarrollo tales como México.

    Además, la nanomedicina podría ayudar a fortalecerlos sistemas de prevención y tratamiento de algunos padecimientos frecuentes que hasta ahora no son atendidos y que sólo están presentes en países en vías de desarrollo. 

    La nanomedicina tiene un alto potencial económico y podría reescribir completamente el mercado farmacéutico mundial, ya que como se ha mencionado la cantidad de nanosistemas aprobados para su uso clínico es muy reducido todavía. Se estima que el valor de este mercado en 2025 será de 350 mil millones de dólares y que los EUA lo controlarán hasta en 46%. Se prevé que 136 mil millones de dólares provengan sólo del mercado de sistemas tecnológicos para administración de fármacos dominado por nanocristales, liposomas y nanopartículas de oro (AuNP).

    Por otro lado, se anticipa que generará innovaciones tecnológicas con aplicaciones en áreas no médicas como en la industria textil, alimentaria y electrónica, entre otras. 

"podría reescribir completamente el mercado farmacéutico mundial"

continuará...

*El autor de este texto publicó esta nota previamente en el sitio web del INCyTU, la Oficina de Información Científica y Tecnológica para el Congreso de la Unión, establecida y operada por el Foro Consultivo, Científico y Tecnológico.

La importancia de llamarse Nano

   Entre el mundo de los átomos y el mundo de las cosas que observamos existe un territorio poco explorado donde las cosas adquieren propiedades tan poco usuales como extraordinarias y tan sorprendentes como útiles. Es en ese mundo donde las propiedades de las cosas cambian dependiendo de su tamaño y forma, donde existen algo parecido a robots capaces de entrar a una célula para curar una enfermedad, donde el tamaño importa y nada es lo que aparenta ser. Bienvenidos al nanomundo.

"las propiedades de las cosas cambian dependiendo de su tamaño y forma"

   

   Matthew Bishop, un jardinero británico de 49 años sufre de retinosis pigmentosa, una enfermedad genética que poco a poco le va quitando la visión lateral, es decir que solo pueda ver cosas que están en el centro de su mirada. De no ser detenida, la enfermedad terminará de consumir totalmente, lenta pero inexorablemente, su ya poca capacidad de observar las cosas. No podrá apreciar las flores de los jardines que trabaja. 

   Después de estudios extensos los médicos han concluido que la enfermedad se debe a una mutación muy particular y que para detener la enfermedad hay que corregir dicha mutación. Pero, ¿Cómo llegar hasta el núcleo de las células de Matthew (que es donde se encuentra el gen defectuoso) para poder curarlo? La nanotecnología es una de las posibles respuestas.

"...robots capaces de entrar a una célula para curar una enfermedad"

Virus: nanopartículas de origen biológico

   Los virus llevan miles de años en la faz de la tierra. No se sabe bien a bien cuando aparecieron y como, pero lo qué si se sabe, es que a penas hace cien años mas o menos supimos que existían y que conviven con nosotros. Después de décadas de estudio se supo que los virus son pequeñas partículas de tamaño nanométrico, es decir entre 30 y 100 nanómetros. Los virus más simples constan de una coraza compuesta de proteína que protege a su genoma (ADN o ARN) en su interior. Pero hay virus para todos los gustos. Unos mas complejos incorporan una cubierta de lípidos, carbohidratos, o combinaciones de múltiples proteínas y cuentan con maquinarias de infección y replicación bastante complejas.

"los virus son pequeñas partículas de tamaño nanométrico"

   Para Matthew, lo más importante era saber que esta nanotecnología creada por la naturaleza podía curarlo. Pero como era un ensayo experimental nadie podía darlo por hecho. Me pregunto que habrá cruzado por la mente de Matthew cuando le explicaron que no usarían un fármaco tradicional, es decir una pequeña molécula o una proteína, si no un virus, el cual llegaría hasta el núcleo de sus células y entregaría un cargamento de ADN especial que repararía su gen defectuoso mediante la inserción de una variante corregida. Y todo esto le ayudaría a recuperar su vista y finalmente a curarse definitivamente, al menos eso esperaba él. Matthew accedió a participar en el estudio.

Nanotecnología en el siglo XXI 

   Desde finales de los años 80 el término nanotecnología despegó. Al principio como todo, solo era una palabra que despertaba la curiosidad en ciertas personas y científicos, pero ahora es un área científica y tecnológica muy pujante, que recibe millones para su desarrollo, que universidades ofrecen grados sobre este tema y que tiene la aspiración a revolucionar muchas esferas de nuestra civilización.

"acarreadores de fármacos, ... sensores, materiales ópticos, electrónicos, luminiscentes, catalizadores y demás."

   Después de décadas de estudio se sabe que ciertas nanopartículas tienen propiedades útiles para la humanidad. No solo pueden ser usadas como acarreadores de fármacos, también pueden ser usadas como sensores, materiales ópticos, electrónicos, luminiscentes, catalizadores y demás. Por ejemplo, si varios átomos de oro son agregados en nanopartículas, estos adquieren un color particular, si unos cuantos más átomos son adicionados, su color cambia drásticamente. Esto ha sido usado como vía para detectar la presencia de otras moléculas en agua, el ambiente o en el cuerpo humano. Algo parecido pasa con el átomo de carbono, dependiendo de como se arregle y como se una a otros átomos de carbono puede formar el grafeno o los nanotubos de carbono, los cuales son materiales que tienen propiedades de conducción de electricidad muy diferente a átomos de carbono no unidos de la misma manera, o inclusive lo hacen de manera superior a otros materiales que se sabe que conducen electricidad. Y esto es solo por como se organizan los átomos en la escala nanométrica; solo por genuinamente llamarse “nano”.

"organizan los átomos en la escala nanométrica"

Nanotecnología y la medicina del futuro

   Matthew y todos los demás 13 pacientes que recibieron las nanopartículas virales mantuvieron su vista o inclusive la mejoraron. Nadie esperaba un éxito tan rotundo como este. Estoy seguro qué podrá seguir disfrutando del color de las flores de su jardín.

   Desde hace varios años los ensayos clínicos que usan nanopartículas virales para tratar enfermedades genéticas, donde no existe posible cura o tratamiento, se han multiplicado y muchas han obtenido éxitos importantes, lo cual da optimismo de qué en el futuro, la nanotecnología contribuya a desaparecer muchas de estas enfermedades genéticas, es decir a que queden en la historia, tal cual las vacunas lo lograron con enfermedades devastadoras en el siglo XX.

   Un punto para pensar el valor de la nanotecnología y su papel en el futuro.

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Referencias:

https://www.theguardian.com/science/2019/jan/19/they-said-i-would-go-blind-gene-therapy-has-changed-that

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190909170745.htm

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01107-8