Nanorobots químicamente programados para aplicaciones

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Para proyectos bilaterales de Investigación e Innovación Tecnológica Brasil-Cuba.
Reunión de Rectores Enero 2005.
Temáticas principales: Biociencia en general, Salud, Técnicas Médicas, Técnica Medio
Ambiental, Energía Renovable, Ciencias Básicas, TICs, Nanotecnología, Agropecuaia,
Innovación Tecnológica.
CES/UCT de Cuba
IMRE, UH
Temática principal seleccionada
Nanotecnología
Temática específica
Salud, Biociencia, Nanotecnología
Coordinador cubano
Edilso Reguera
[email protected]
Título del Proyecto:
Nanorobots quimicamente programados para aplicaciones biomédicas y biotecnológicas;
Objetivos de los proyectos:
Proyecto Nro 1: Obtener nanorobots quimicamente programados para aplicaciones biomédicas
y biotecnológicas;
Descripción del Proyecto:
Nanorobots químicamente programados para aplicaciones
biomédicas y biotecnológicas
Fundamentación
La concepción y desarrollo de Nanorobots orientados para ejecutar proyectos de reparación a
nivel celular y otras tareas afines constituye un área de intensa actividad en el campo de las
Nanotecnologias. Tales Nanorobots se conciben como diminutas máquinas con sistemas de
locomoción y orientación propios y capaces de viajar por el interior de los organismos vivos, en
particular a través de los fluidos biológicos. La construcción de dispositivos de esta naturaleza
estarán basados en principios de la nanoelectromecánica incorporando los avances más
recientes de la informática. Sin embargo, tales máquinas aún se encuentran en la fase de
“imaginación” y simulación en ordenadores.
Una concepción más racional de nanorobots, a mediano plazo, podría fundamentarse en
construir ciertos “dispositivos” químicos por ensamblaje de bloques y programarlos en términos
de la reactividad y afinidad de algunos de dichos bloques por ciertos receptores bioquímicos.
En la Figura se intenta ilustrar una nano-esfera formada por varias capas. Tal nano-esfera
puede construirse a partir de una nanopartícula a la cual se le van ensamblando bloques
moleculares de forma progresiva y con las características apropiadas.
Nanoesfera construida por multicapas. Tal sistema puede construirse a partir de una
nanopartícula a la cual se le van ensamblando bloques moleculares.
Las primeras capas a colocar sobre la nanopartícula estarían orientadas a crear una superficie
apropiada sobre la cual “depositar” ciertas moleculas siguiendo un “programa” determinado en
términos del objetivo con el cual se construye el sistema. Asi, por ejemplo, el sistema podría
diseñarse para que menifieste una elevada afinidad con un receptor bioquímico determinado y
que una vez ligado al receptor pueda interactuar con otras biomoléculas cercanas. Del mismo
modo, esa afinidad por el receptor podría “hacerse” decrecer en el tiempo para posibilitar un
mecanismo de liberación y pasar a desempeñar una segunda función, que podría ser su salida
del medio biológico. Tal tipo de sistemas en el cual resulta posible programar la ejecución de
un conjunto secuencial de “funciones” en términos de la afinidad, selectividad y reactividad de
la secuencia de capas que lo componen se comportarían como un nanorobots químicamente
programados. En esta concepción existen tres etapas claves, a saber: 1) definir las funciones
que se desean implementar, ya sean con fines de reparación (e. g. terapéuticas), de
exploración, de modificación o estimulación de un mecanismo dado, etc. y con ello saber
cuales son los receptores apropiados; 2) determinar cuales son los bloques moleculares
apropiados a tales fines y desarrollar técnicas para su manipulación y ensamblaje en la
nanoescala; 3) comprobar la efectividad del sistema a través de ensayos “in vitro” e “in vivo”.
Objetivo general.
Desarrollar un Nanorobot químicamente programado para aplicaciones biomédicas y
biotecnológicas. Este objetivo general lleva implícito el desarrollo de nanotecnologías de
construcción de nanodispositivos químicamente programados, lo cual tendría un alcance más
allá del presente Proyecto.
Objetivos específicos.
1) Disponer de métodos de alta reproducibilidad en términos de tamaño, geometría y
composición para obtener nanopartículas biocompatibles apropiadas para servir de soporte
para el desarrollo de nanodispositivos químicamente programados;
2) Desarrollar métodos para el ensamblaje de bloques moleculares sobre nanopartículas, de
forma controlada y de acuerdo a una secuencia determinada para establecer un
“programa” de funciones a ejecutar por el dispositivo resultante en términos de afinidad,
selectividad y reactividad hacia y con ciertos receptores bioquímicos;
3) Generar, a partir del trabajo cooperado entre físicos, químicos, bioquímicos y biólogos,
nuevo conocimiento científico y formas de saber hacer (“known how”) en una dirección
específica de las nanotecnologías con un prometedor impacto en aplicaciones biomédicas
y biotecnológicas.
Metas:
a) Desarrollar tres sistemas (dispositivos) candidatos de nanorobots a partir del ensamblaje
de bloques moleculares sobre nanopartículas orientados a igual número de aplicaciones
potenciales y empleando la misma infra-estructura en términos de recursos humanos y
materiales. Ello permitiría, a partir de cierto grado de avance del Proyecto seleccionar el
más viable en términos científicos, económicos y de impacto potencial.
b) Producir conocimiento científico y aplicaciones en un área alto impacto científico y
tecnológico.
c) Proporcionar a las instituciones participantes cierto protagonismo en el área de las
Nanotecnologías.
Duración estimada del Proyecto: A precisar por los participantes
Programa de trabajo:
Primera etapa:
1) Definir los tres candidatos de nanorobots a desarrollar en términos de las funciones a
incorporarles, de su composición y receptores bioquímicos con los cuales actuar.
2) Definir al menos tres aplicaciones concretas a las cuales dirigir el desarrollo de los
dispositivos;
3) A partir del conocimiento desarrollado entre las instituciones participantes en el campo de
la obtención y caracterización de nanopartículas, establecer procedimientos específicos
para obtener este tipo de soportes con una alta reproducibilidad de acuerdo a tamaño,
geometría y composición;
4) Desarrollar métodos para obtener sistemas multicapas con moléculas de interés biológico y
biotecnológico, a partir de nanopartículas.
5) Caracterizar los sistemas obtenidos de acuerdo a su composición, estructura y morfología,
y según su reactividad, selectividad y afinidad para potenciales moleculas receptoras.
Segunda etapa:
6) Escalar en el número y diversas de bloques moleculares ensamblados y con ello la
complejidad de las funciones que se programan;
7) Evaluar la respuesta de los dispositivos a partir de ensayos “in vitro” frente a biomoléculas
y sistemas portadores de los receptores de interés.
8) A partir de la respuesta de los tres candidatos de nanodispositivos que han estudiado,
seleccionar uno, máximo dos, para continuar con su desarrollo.
9) Optimizar el proceso de obtención y la funcionalidad del nanodispositivo en desarrollo para
pasarlo a ensayos a ensayos “in vivo”;
10) Evaluar su respuesta en ensayos “in vivo” con animales de Laboratorio y en sistemas de
interés biotecnológico.
11) Optimizar el nanodispositivo desarrollado de acuerdo a la respuesta durante los ensayos
“in vivo””.
12) Entrega del reporte final del Proyecto.
Nota: A lo largo de las dos etapas se irán produciendo salidas en términos artículos publicados
en revistas internaciones, formación de recursos humanos y potencialmente, patentes.
Instituciones Cubanas que participarían:

Universidad de La Habana: Instituto de Materiales y Reactivos (IMRE); Facultad de
Química; y Centro de Estudio de Proteínas (Facultad de Biología);

Universidad de Matanzas, Matanzas

Universidad Central de Las Villas, VillaClara
Universidades Federales de Brasil que podrían participar:
De acuerdo a nuestro diagnóstico podrían estar interesadas:

Universidad Federal de Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil (especialista de contacto Dr.
Joao Paulo Sinneker);

Universidad Federal de Rio Grande do Sur (especialista de contacto: Dr. F.C. Zawislak,
Instituto de Física)

Universidad de Sao Paulo, Sao Paulo, Brasil (especialista de contacto: Dr. Gerardo Goya)