Nanomateriales: optimización en la extracción de ADN

Sobre una mesa de trabajo en el interior de un laboratorio, diversas soluciones químicas son sintetizadas hasta obtener las esferas de núcleo magnético y recubiertas de óxido de silicio, cuyo diámetro oscila entre 20 y 40 nanómetros.

Las dimensiones de las nanopartículas —imperceptibles a simple vista— se verifican en el microscopio electrónico de transmisión o el microscopio electrónico de barrido, sofisticadas herramientas que permiten observar los detalles de la esfera de superficie porosa a nivel nanométrico.

Este tipo de nanomateriales es accesible de forma comercial para la aplicación de técnicas de extracción de ADN; sin embargo, especialistas del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (Cnyn) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), campus Ensenada, y de la Universidad Autónoma de Baja California (UABC) colaboran para mejorarlos.

El doctor Hugo Tiznado Vázquez, investigador responsable del Laboratorio de Ingeniería de Superficies del Cnyn, expuso en entrevista que hasta ahora han logrado desarrollar los materiales disponibles en el mercado, pero trabajan en hacerlos más eficientes.

“Lo que sigue es modificar la superficie de esas esferas, por ahora son de óxido de silicio, pero, ¿qué tal si quieres una extracción de ADN con mayores rendimientos? Modificamos la superficie, que es donde ocurre esa absorción, para que interaccione en mayor grado con las moléculas de ADN”, explicó.

La extracción de ADN es solo una de las aplicaciones que han sido detectadas para este tipo de nanopartículas, ya que con distintos recubrimientos los especialistas podrían modificar sus funciones y ampliar el rango de aplicaciones, por ejemplo, la extracción de diversas proteínas del ADN.

“Lo anterior se puede lograr si recubrimos la superficie porosa de las esferas de óxido de silicio con un material afín a la proteína que quiero extraer. El reto científico es ahora obtener recubrimientos totalmente uniformes a una superficie con poros de tan solo unos cuantos nanómetros de diámetro, para este objetivo se usan estrategias de ingeniería de superficies, las cuales nos permiten modificar a conveniencia la superficie de los materiales”, observó el investigador del Cnyn.

Tecnología atómica

Depósito por capa atómica (ALD, por sus siglas en inglés) es como se denomina a la técnica aplicada por los especialistas del Laboratorio de Ingeniería de Superficies del Cnyn para recubrir estructuras como las esferas de óxido de silicio.

Para la aplicación de la técnica por ALD, los investigadores adquirieron equipo especializado con recursos del Fondo de Infraestructura Científica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).

El doctor Hugo Tiznado mencionó que el espesor de las capas del recubrimiento es a nivel de átomos y además la técnica permite realizar el depósito en toda la superficie —en este caso— de la esfera.

“ALD deposita por todos los lados: hacia los lados y por abajo y arriba de los objetos, pero eso está bien porque quieres recubrir toda la esfera u otro objeto, es decir, es una ventaja”, indicó.

Ya sea que busquen que la superficie del material sea más o menos conductora o simplemente cambiar el material para una aplicación específica, los científicos del Cnyn elaboran recubrimientos cuyo principal fin está en las propiedades que obtendrán.

¿Cómo funcionan las nanopartículas?

El proceso que un especialista en biología molecular lleva a cabo para extraer el ADN de un organismo puede llegar a ser complejo: implica trabajar con disolventes, realizar procesos de extracciones, centrifugar, secar, calentar, filtrar y toda una serie de pasos que constituyen un proceso de horas para la extracción de material genético.

Las nanopartículas desarrolladas por los investigadores de la UNAM y la UABC simplifican ese proceso, ya que estas se colocan en el organismo al que se le extraerá el ADN y, utilizando campos magnéticos externos que toman ventaja de las propiedades magnéticas de las nanopartículas, logran retirarlas como un sistema que ya absorbió el ADN.

El doctor Franklin Muñoz Muñoz, profesor investigador de la Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Diseño (FIAD) de la UABC y colaborador en el proyecto, refirió que aunque este principio y algunos tipos de partículas ya están disponibles en el mercado, el material con el que están elaboradas resulta altamente tóxico cuando interactúa con sistemas biológicos.

“Entonces, con la estrategia de aplicar recubrimientos sobre sistemas de nanopartículas, formando así un tipo de nanopartícula que se llama núcleo-coraza, se logra cambiar la superficie de ese sistema magnético, para que dicha toxicidad o inestabilidad química se vea reducida al encapsularla con otro material que sea biocompatible. De esta forma, se saca ventaja de todas las propiedades de este sistema, ya que conservaría la propiedad magnética del material núcleo, pero en su superficie o coraza tendría grupos específicos que pueden interaccionar físicamente con el ADN”.

Cuando las nanopartículas entran en contacto con las moléculas de ADN, una interacción de tipo electrostático ocurre entre la superficie de las nanopartículas y el ADN. A la vez, la propiedad magnética, determinada por el núcleo de la nanopartícula, hace que la extracción con aplicación de campos magnéticos externos sea posible; posteriormente, con procesos de lavados es posible aislar el ADN y recuperar el sistema de nanopartículas para ser reutilizadas.

“Estos sistemas generarían una gran ventaja con respecto a otros sistemas existentes, ya que al aplicar nanotecnología, se logra que una reducción del tamaño de partícula cause un aumento en el área de contacto del sistema, en otros términos, entre más pequeño el sistema, más capacidad de absorción puede llegar a tener. Además, para este tipo de aplicaciones, se ha observado que otros protocolos de extracción requieren compuestos o disolventes cuyo almacenaje o desecho pueden resultar peligrosos para el medio ambiente, debido principalmente a su alta toxicidad”, subrayó el doctor Franklin Muñoz.

Más pequeño, más eficiente

Aunque comercialmente existen sistemas similares al de las nanopartículas desarrolladas por los investigadores de la UABC y la UNAM, su tamaño les da una ventaja.

El doctor Franklin Muñoz mencionó que los sistemas disponibles en el mercado se basan en el uso de micropartículas o partículas; en cambio, las nanopartículas en combinación con los nuevos materiales utilizados logran aumentar el área de contacto con el ADN y, en consecuencia, absorber más.

Los avances obtenidos por los investigadores que colaboran en el proyecto son consistentes; sin embargo, ahora sus esfuerzos se centran en optimizar los resultados, como por ejemplo, dar mayor especificidad al material y que logre aislar moléculas de ADN con mayor pureza.

El objetivo final es obtener un producto que sea competitivo dentro de los sistemas que ya existen en el mercado, que tenga un mayor rendimiento y sea más específico para que la purificación del ADN sea un proceso eficiente.

Fuente: CONACYT.