Óxido de grafeno: Una nueva herramienta en la guerra contra las bacterias

Blog original en inglés por Laura Olenick
Originalmente publicado 10 de Agosto 2017
Traducido por Mariah Dooley, Editado por Curtis Green

Los animales evolucionan fuertes defensas contra sus depredadores. Los depredadores evolucionan para cazar mejor y atrapar a sus presas. Las plantas evolucionan defensas contra los insectos. Los insectos evolucionan defensas contra las plantas. Nosotros evolucionamos defensas contra las bacterias. Las bacterias evolucionan estrategias contra nosotros.

Y ellas lo hacen mejor que nosotros.

Estos organismos que se reproducen rápidamente se adaptan a los fármacos casi tan rápido como la industria los produce. Los fármacos antibacteriales se vuelven anticuados tan rápido que casi no es económico desarrollar otros nuevos. Los pacientes hospitalizados corren el riesgo de contraer una infección por una variedad de bacterias que son resistentes a antibacteriales1.  ¿Qué podemos hacer cuando esos medicamentos dejan de ser efectivos? Contraatacamos  con nuevas innovaciones. A través de la química, hemos encontrado una nueva manera de afrontar el problema de la evolución bacterial contra los antibióticos – y estamos construyendo nuestro propio arsenal del tamaño nano para prepararnos para el próximo ataque inminente.

LosGuantes

Los guantes proporcionan una barrera contra las bacterias
(Imagen por Amanda Mills)

Los nanomateriales aportan algunas propiedades especiales a la lucha contra las bacterias resistentes a antibióticos. Un nanómetro es una billonésima parte de un metro, 100.000 veces más pequeño que un cabello humano. Un nanomaterial es cualquier material que tenga menos de 100 nanómetros (nm) en al menos una dimensión. Es precisamente esta escala que da como resultado las propiedades interesantes e inusuales de los nanomateriales. Imagine esto como tres niveles con diferentes propiedades: el nivel atómico (pequeño), el nivel nano (mediano), y el nivel macroscópico (grande, y el nivel con que estamos más familiarizados). Cada uno de estos niveles tiene ventajas y desventajas. El nivel nano pasa a ser el que reacciona mejor con las células debido a los tamaños similares involucrados. Esta escala nano es única y es el objetivo de nuestras defensas contra las bacterias.

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¿Qué tan grandes son las nano-partículas? “Small Molecules” (moléculas pequeñas) “Atoms” (átomos), “Surface features” (características de la superficie), “Proteins, Antibodies” (proteínas, anticuerpos), “DNA bases” (bases de ADN), “Ribosomes” (ribosomas), “Nanoparticles” (nanopartícula), “Viruses” (viruses), “Genes” (genes) “Animal Cells” (células animales), “Bacterium” (bacterias) “Features within fibre cross-section” (Características dentro de la sección transversal de la fibra), “Chromosomes” (chromosomas), “Human hair” (cabello humano), “Outer diameter of optical fibre” (Diámetro exterior de la fibra óptica) (Imagen modificada del Center for Nanoscale BioPhotonics)

El biólogo Escocés Alexander Fleming ganó la primera batalla contra las bacterias con el descubrimiento de la penicilina en 1928. Un científico observador, notó que un cierto tipo de moho impedía el crecimiento bacteriano en el área circundante. Un rato después, los científicos determinaron que este antibiótico había impedido el esparcimiento de las bacterias, y al mismo tiempo la reparación de sus paredes celulares, que son bastante diferentes de las membranas celulares humanas. La interrupción de la reparación normal de la pared celular se produce a través de un enlace químico entre la penicilina y la pared celular bacteriana.  Este descubrimiento fue un enorme avance médico y significó que ya no había que temer el riesgo de una infección producida por  simples cortes o rasguños.

AlexanderFleming

Sir Alexander Fleming, Frs, el descubridor de la penicilina, pintura de Ethel Leontine Gabai (imagen creada y publicada por el Imperial War Museum en la licencia IWM no comercial)

Desafortunadamente, el lujo de vivir en una época con antibióticos puede llegar a su fin. Constantemente más y más tipos de bacterias están evolucionando resistencia a los medicamentos. Las bacterias han tenido generaciones de generaciones de poblaciones bacterianas para evolucionar formas de crear y reparar sus paredes celulares a pesar de la penicilina. Ahora es el momento de mejorar nuestro juego.

Los científicos están combatiendo creativamente el problema de la resistencia antibacteriana usando nanotecnología, particularmente un nanomaterial antibacteriano llamado óxido de grafeno2.  El “plomo” en su lápiz es en realidad grafito – que son láminas bidimensionales de átomos de carbono fuertemente unidas en dirección horizontal y unidas débilmente en vertical, permitiéndoles fluir bien sobre su papel. A una lámina de estos átomos de carbono unidas fuertemente se le conoce como grafeno. Una lámina de óxido de grafeno es simplemente grafeno con átomos de oxígeno añadidos. (Para obtener más información sobre grafito y grafeno, puedes ver las publicaciones del blog en español haciendo clic aquí y aquí,)

grafito

Muchas capas de grafeno = grafito (imagen modificada por Anton)

Cuando toma una lámina de óxido de grafeno y lo corta en trozos pequeños (generalmente menos de 100 nm en cada dimensión), obtiene un nanomaterial de óxido de grafeno. Esta forma diferente permite un mayor grado de solubilidad en agua. Por lo tanto, cuando el óxido de grafeno se mezcla en agua, permanecerá suspendido en el agua mucho más tiempo que el grafeno – y cuando está en el agua, y no se deposita en el fondo, está disponible para combatir las bacterias.

El óxido de grafeno es impresionante como un posible antibiótico porque combate a las bacterias en una manera diferente que la penicilina. Mientras que la penicilina se une químicamente a las paredes de las células bacterianas, como el pegamento adhiere dolorosamente tu piel a un objeto que estás reparando, se cree que el óxido de grafeno daña mecánicamente las paredes bacterianas al “reventarlas” con sus bordes afilados como una aguja hace estallar a un globo3. Este “estallido” es mucho más difícil de desarrollar estrategias en contra de la unión química de la penicilina, y abre la puerta a revestimientos antibacterianos ecológicos. Este tipo de revestimiento podría ayudar a detener la propagación de infecciones en lugares como hospitales por evitando la transferencia bacteriana de superficies como perillas de puertas, interruptores de luz, teléfonos, etc. Al igual que muchos edificios tienen picos para evitar el aterrizaje de las palomas, los  revestimientos médicos destinados a reducir las bacterias con óxido de grafeno son como picos a las bacterias. Desafortunadamente, muchos revestimientos médicos destinados a reducir las bacterias en las superficies actualmente usan materiales que pueden ser tóxicos para el medio ambiente en altas concentraciones. Los revestimientos hechos de óxido de grafeno son menos tóxicos por varias razones, lo que hace que esta prevención sea más sostenible desde el punto de vista ambiental.

espigas

Espigas para mantener alejadas a las palomas (o en este caso posiblemente los elefantes) (imagen de Prasad Vaidya)

El óxido de grafeno también usa otro mecanismo de acción para combatir a las bacterias: la formación de moléculas reactivas4.  Los científicos plantean la hipótesis de que el óxido de grafeno puede formar sustancias químicas agresivamente nocivas que dañan las paredes celulares de una manera que las células bacterianas no se pueden reparar, pero muchos otros tipos de células tienen protecciones evolucionadas contra el óxido de grafeno. Entonces, con el mecanismo físico del “estallido” de sus bordes afilados más la formación de químicos reactivos, el óxido de grafeno tiene doble potencial de uso en la nueva tecnología antibacteriana.

Las bacterias han evolucionado muchas estrategias para sobrevivir a los antibióticos. Para combatir el creciente número de bacterias resistentes a los antibióticos, los científicos han recurrido a una nueva y creciente tecnología: los nanomateriales. Los científicos han descubierto que un nanomaterial en particular, óxido de grafeno, tiene ambos mecanismos y propiedades químicas que lo hacen peligroso para las bacterias, pero es relativamente seguro para los humanos. Estos materiales de doble propósito que permite tanto enfoques químicos como mecánicos en el campo de batalla bacteriano insinúan que estamos sacando ventaja. Utilizando la ciencia a nano escala, estamos luchando para mantener el ritmo de la evolución bacteriana y estar a un paso por delante de nuestros enemigos unicelulares.


RECURSOS EDUCATIVOS (en inglés)

REFERENCIAS

  1. Centers for Disease Control (CDC). Superbugs threaten hospital patients (press release). March 3, 2016.
  2. Nanda, S., Yi, D., & Kim, K. Study of antibacterial mechanism of graphene oxide using Raman spectroscopy Scientific Reports6, Article number: 28443 (2016). doi: 1038/srep28443
  3. Akhavan, O. & Ghaderi, E. Toxicity of graphene and graphene oxide nanowalls against bacteria. ACS Nano4, 5731–5736 (2010). Doi: 10.1021/nn101390x
  4. Liu, S. B. et al. Antibacterial activity of graphite, graphite oxide, graphene oxide, and reduced graphene oxide: membrane and oxidative stress. ACS Nano 5, 6971–6980 (2011). Doi: 10.1021/nn202451x

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