La Iniciativa del Genoma de Materiales y el CNS

Blog original en inglés por Qiang Cui
Traducido por Jane Moye-Rowley

Es probable que usted haya oído del Proyecto del Genoma Humana (PGH), un programa internacional de investigaciones colaborativas para secuenciar y comprender todos los genes de los seres humanos. El PGH se declaró completo en abril de 2003 y nos dio la habilidad increíble de leer el mapa genético completo del ser humano, empezando una nueva era de la medicina molecular.

Pues, ¿qué es la Iniciativa del Genoma de Materiales (IGM)?

ADN

¿Cómo es similar el genoma de materiales al genoma humano? (imagen de ADN por el Instituto Nacional para Investigaciones del Genoma Humano, de National Institutes of Health)


La IGM es una iniciativa relativamente nueva diseñada para desarrollar las políticas, los recursos y la infraestructura para apoyar el descubrimiento y la fabricación de materiales funcionales con un ritmo acelerado y un coste sustancialmente reducido. Pero, ¿por qué se refiere a la iniciativa como un proyecto del “genoma”? Es más como una metáfora que un analogía directa al mapa de ADN humano. Mi interpretación personal es que un componente crítico del descubrimiento, el diseño y la fabricación moderna de materiales supone la integración de una gran cantidad de datos con orígenes diversos, desde las caracterizaciones experimentales y los análisis computacionales hasta los experimentos con condiciones realísticas. Cómo colectar, organizar, distribuir, y usar esos datos efectivamente es un reto significativo, similar al cual enfrentó el PGH en su esfuerzo que duró trece años. Además, investigadores esperan que el impacto a largo plazo de la IGM en investigaciones de materiales será igual al impacto del PGH en investigaciones biomédicas.

La IGM fue lanzada en 2011 por el gobierno federal1 estadounidense e involucra varias agencias federales2 como el Departamento de Defensa, el Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias, NASA (Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio), NIST (Instituto Nacional de Normas y Tecnología) y muchos más.

Las metas de la IGM

Materials Genome Program

Metas de la Iniciativa del Genoma de Materiales (imagen por cortesía de la Materials Genome Program)

Como se puede ver en la imagen más arriba, la IGM se dirige a abordar retos en las investigaciones de materiales en cuatro áreas especificas: el bienestar humano, la energía limpia, la seguridad nacional y el desarrollo de la fuerza laboral de la próxima generación. Piensan hacer esto por medio de apoyar la infraestructura necesaria en EEUU para la innovación de materiales para promover la integración de nuevas herramientas experimentales, herramientas computacionales y datos digitales.

Más específicamente, en 2014 el Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología publicó un plan estratégico3 que recalcó cuatro conjuntos de metas para la IGM:

  1. Liderar un cambio cultural en las investigaciones de materiales para apoyar y facilitar una aproximación integrada que conecte la teoría/la computación, los datos y la experimentación, y que cruce la frontera entre el mundo académico, laboratorios nacionales y el mundo industrial
  2. Integrar experimentos con la computación y la teoría y equipar la comunidad de la ciencia de materiales con herramientas y técnicas avanzadas para trabajar entre varias clases de materiales y abordar problemas tratan de escalas grandes de largo y tiempo
  3. Hacer datos digitales accesibles y fáciles de buscar
  4. Crear la próxima generación de la fuerza laboral de materiales de primera clase: personas entrenadas para aprovechar las herramientas y datos diversos en sus carreras académicas o industriales
El continuo del desarrollo

El continuo del desarrollo de los materiales desde el descubrimiento hasta el despliegue (imagen por cortesía de la Materials Genome Program)

El desarrollo de nuevos materiales funcionales es un proceso complejo que involucra necesariamente contribuciones de muchas disciplinas. Sigue un “continuo del desarrollo de los materiales” (véase la figura más arriba), desde los descubrimientos nuevos a través de varios pasos más como el diseño de sistemas y la fabricación antes de la tecnología se puede desplegar. Es esencial promover la integración de técnicas diversas de experimentación y computación en cada paso del continuo para aumentar la rapidez del proceso, uno de las metas de la IGM.

El Centro Genómico para Materiales Nanoporosos

Desde su inicio en 2011, la IGM ha causado la inversión de al menos $250 millones en nuevas investigaciones e infraestructura desde la innovación hasta muchos programas apoyados por las participantes agencias federales. Se puede encontrar unos ejemplos bajo “Activities” en el sitio de web de la IGM.

Un ejemplo particular que conozco es el Centro para el Genoma de Materiales Nanoporosos, que se basa en la Universidad de Minnesota y está apoyado por el Departamento de Energía. Este centro se enfoca en el diseño de nuevos materiales microporosos y mesoporosos (materiales con poros, o hoyos, o menos de 2 nm o entre 2 y 50 nm en diámetro, respectivamente). Estos materiales tienen ratios grandes de superficie-a-volumen, lo que significa que tienen mucha superficie en relación al espacio que llenan. Por eso, los materiales nanoporosos son prometedores para aplicaciones como almacenamiento, medios de separación, y catalizadores en el contexto de procesos relevantes a cuestiones de energía. (Véase esta entrada [en inglés] para aprender más sobre la importancia de la superficie en nanomateriales.)

Lo difícil es diseñar estos materiales para ser muy específicos, eficientes y robustos para sus usos planeados. Los científicos en el Centro para el Genoma de Materiales Nanoporosos desarrollan nuevos métodos computacionales, desde técnicas de la mecánica cuántica para romper enlaces químicas hasta métodos de simulación molecular para la adsorción molecular, para ayudar a aumentar el ritmo del descubrimiento de materiales.

Historias de éxito de la IGM

Una historia de éxito reciente4 es el desarrollo de un material marco organometálico efectivo para la degradación de agentes nervotóxicos. Este material es muy poroso y tiene estabilidad química excepcional. (Para más sobre el uso de nanotecnología para luchar contra el terrorismo, véase esta entrada de blog [en español].)

Un modelo computacional

Un modelo computacional de una molécula organometálica y porosa desarrollada para degradar agentes nervotóxicos. (Imagen reproducida con permisión de Mondloch et al. (2015)4)

Como un ejemplo exitoso de compartir datos digitales entre científicos, el Centro para el Genoma de Materiales Nanoporosos (CGMN) guarda una colección de estructuras experimentales y previstas y sus propiedades asociadas para los numerosos materiales porosos que les interesan a los científicos. En un estudio reciente5, investigadores en el CGMN usaron la base de datos para analizar computacionalmente la retención de metano (gas natural) en más de 650,000 materiales porosos diferentes. Este análisis no solo llevó estructuras innovadoras potenciales para la síntesis pero también ayudó en el cambio de suposiciones sobre los límites del almacenamiento de gas natural.

un diagrama Circos

Ejemplo del diagrama Circos de las relaciones entre composición y estructura propuestas por IGMN. (Imagen reimprimida con permisión de Chian et al. (2015)7)

Otro ejemplo recalcado en el plan estratégico de 2014 del IGM3 es el descubrimiento de Li10GeP2S12 (PGPS), un nuevo material usado en baterías. Con la gran cantidad de datos disponibles en el Proyecto de Materiales,6 investigadores podían predecir propiedades eléctricas del material que fueron diferentes de las expectativas originales. Más importante, las computaciones también predijeron pequeños cambios de composición que pudieran aumentar la asequibilidad o mejorar rendimiento del material, y estas predicciones fueron luego confirmadas en experimentos. Esto ejemplo demostró el poder de la computación y minería de datos para evaluar nuevos materiales que emergen de experimentos y establecer aplicaciones realísticas.

La Iniciativa del Genoma de Nanomateriales (IGNM)

Inspirado por la PGH y la IGM, Chenxi Quian y sus colegas recientemente propusieron la Iniciativa del Genoma de Nanomateriales (IGNM).7 La meta inicial es establecer una base de datos que admita búsquedas y resuma la información esencial sobre el número rápidamente creciendo de nanomateriales que investigadores están estudiando y que se usan en productos comerciales. La información incluiría descriptores clave como composición elemental, estructura, tamaño, forma, superficie, grado de imperfección, autoensamblaje y cómo se relacionan todos a la función y la utilidad.

un diagrama Circos completo

Un ejemplo de un diagrama Circos completo,8 dado aquí para mostrar los efectos en el empleo causados por exportaciones de la Unión Europea. (Imagen de AntonioF. Amores)

Una aspecto importante del concepto de IGNM es desarrollar técnicas poderosas de visualización (por ejemplo, los diagramas Circos8 como se ve a menudo en la presentación de datos genómicos) que ayudan a organizar la información diversa y hacerla más accesible por los usuarios de la base de datos. Partidarios del sistema esperan que con la combinación de tecnologías de visualización y de extracción de datos más moderna, la base de datos de la IGNM auxilie profundamente a los investigadores en el descubrimiento y desarrollo de nanomateriales en varias aplicaciones. Desde que se publicó en línea el artículo de Qian en 2014, todavía no está claro el estado de la base de datos de IGNM, lo cual mis colegas y yo prevemos que será de gran valor tanto en la educación como en investigaciones.

¿Cuál es el papel del CNS en todo esto?

Oficialmente, nuestro Centro de Nanotecnología Sostenible (CNS) no toma parte en la IGM. Sin embargo, nuestras metas fundamentales y principios operacionales se alinean bien con las de la IGM. Por ejemplo, el CNS también quiere fomentar la integración de estudios experimentales y computacionales para la comprensión de cómo interactúan los nanomateriales con los sistemas biológicos, y nuestro centro promueve interacción entre el mundo académico, laboratorios nacionales y el mundo industrial. Muchos miembros del CSN desarrollan nuevas herramientas experimentales y computacionales que serán accesibles a la comunidad general de los que trabajan con nanomateriales. Finalmente, pretendemos preparar a nuestros estudiantes y posdoctorados para ser los líderes de la próxima generación de obreros en el diseño y la aplicación de nanomateriales.

A medida que las investigaciones producen más resultados entusiasmantes, es importante que el CNS piense bien las mejores estrategias para hacer accesible nuestros datos a la comunidad general de investigadores de nanomateriales. Quizás podamos hacer equipo con la IGNM o recursos asociados como NanoHub, un sitio de web para la comunidad de personas con interés en la nanotecnología.9 En definitiva, las metas de la IGM y el CSN están alineadas: para comprender y desarrollar las tecnologías de materiales de la próxima generación por la integración de experimentos, computaciones y la ciencia por datos digitales.


RECURSOS INFORMATIVOS


REFERENCIAS

  1. WhiteHouse.gov. About the Materials Genome Initiative,2014 [website]. Retrieved from:  https://www.whitehouse.gov/mgi
  2. Materials Genome Initiative,n.d. [website]. Retrieved from https://www.mgi.gov/
  3. Holdren, J. et al. Materials Genome Initiative Strategic Plan2014. 
  4. Mondloch, J. et al. Destruction of chemical warfare agents using metal-organic frameworks, Nature Materials, 2015. 14, 512–516. doi:10.1038/nmat4238
  5. Simon, M., et al. The Materials Genome in Action: Identifying the Performance Limits for Methane Storage, Energy & Environmental Science, 2015. 8, 1190-1199. doi: 10.1039/C4EE03515A
  6. Jain et al.. Commentary: The Materials Project: A materials genome approach to accelerating materials innovation, APL Materials, 2013. 1, 011002. doi: 10.1063/1.4812323
  7. Qian, X., Siler T., & Ozin, G. Exploring the Possibilities and Limitations of a Nanomaterials Genome, Small, 2015. 11, 64-69. doi: 10.1002/smll.201402197
  8. Krzywinski, M. et al. Circos: an Information Aesthetic for Comparative Genomics. Genome Research, 2009. 19, 1639-1645. doi: 10.1101/gr.092759.109
  9. nanoHUB, 2016 [website]. Retrieved from https://nanohub.org/

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s