Biotecnología en Movimiento, año 7, No. 25, publicación trimestral, editada por la Universidad Nacional Autónoma de México

María Rita Durán Álvarez, Caren Janet Rosales Gil y Jorge Reyes González

Veronica García

Carlos Martínez

Estela Paulina Zerecero

Nidia Jessie García Mateos

Ana Yesenia Hernandez Vite

Jairo Antonio Cid Perez

Dentro de las NP se reconocen los metálicos, los óxidos metálicos, y los no metálicos como las NP de selenio (Se), silicio (Si) y nanomateriales carbono (también llamados nanotubos de carbono, CNT, por sus siglas en inglés). Se han estudiado las NP metálicas, como oro (Au), hierro (Fe), plata (Ag) y se ha manifestado que estas tienen propiedades químicas, ópticas y eléctricas inusuales en comparación con los materiales micrométricos o de tamaños superiores.

El uso de nanomateriales a dosis altas puede causar toxicidades y alteraciones en los componentes fisiológicos y genéticos de las plantas.

Sostenibilidad

1.     Reducción de la dosis: Los nanoplaguicidas requieren dosis mucho menores en comparación con los pesticidas convencionales. Esto disminuye la carga química en el medio ambiente y reduce el riesgo de contaminación del suelo y el agua.

2.     Menor toxicidad: Al estar diseñados para liberar sus componentes de manera controlada, pueden ser menos tóxicos para organismos no objetivo, incluidos polinizadores y otros insectos benéficos.

3.     Degradación ambiental: Muchos nanoplaguicidas están diseñados para descomponerse de manera más rápida y efectiva en el medio ambiente, minimizando su persistencia y acumulación.

Precisión

1.     Liberación controlada: Los nanoplaguicidas pueden ser formulados para liberar sus principios activos de manera controlada, lo que significa que se pueden aplicar justo cuando se necesita, aumentando la efectividad y reduciendo el desperdicio.

2.     Especificidad: Pueden diseñarse para atacar plagas específicas, reduciendo así el impacto en organismos beneficiosos y contribuyendo a un manejo más sostenible de los ecosistemas agrícolas.

3.     Detección y monitoreo: La nanotecnología también permite el desarrollo de sensores que pueden detectar plagas o enfermedades en etapas tempranas, facilitando aplicaciones más precisas.

Potencial

1.     Eficiencia: Su alta efectividad en dosis menores puede llevar a un uso más eficiente de los recursos, lo que puede resultar en menores costos para los agricultores y un impacto ambiental reducido.

2.     Innovación: La investigación en nanoplaguicidas está en constante evolución, lo que permite el desarrollo de nuevos productos que pueden adaptarse a las necesidades cambiantes de la agricultura y responder a desafíos como la resistencia a pesticidas.

3.     Integración en sistemas agroecológicos: Pueden integrarse en prácticas de agricultura sostenible, complementando métodos biológicos y culturales de control de plagas.

Veronica García

Carlos Martínez

Estela Paulina Zerecero

Uno de los materiales más estudiados por sus propiedades biocidas es la plata, ya que en su forma coloidal es un conocido antimicrobial que se ha utilizado como aditivo en forma de compuestos que liberan iones de plata (Ag+) en solución acuosa. Varias investigaciones y patentes recientes han atribuido el incremento de las propiedades antimicrobiales de las nanopartículas de plata a su gran área superficial. La efectividad de la nanoplata coloidal como fungicida se ha probado sobre el moho de Sph.

La nanoplaguicidas son utilizados principalmente para lograr la liberación focalizada y controlada del plaguicida, así como para evitar  su degradación prematura; esto disminuye la carga química en el medio ambiente y reduce el riesgo de contaminación; de tal forma que pueden ser menos tóxicos para organismos no objetivos; minimizando su persistencia  y acumulación en el medio ambiente. Su alta efectividad en dosis pequeñas y controladas genera su uso moderado lo que permite bajos costos y un impacto ambiental menor. La nanotecnología ha abierto una nueva perspectiva para mejorar el desempeño en el sector agrícola particularmente a través de nuevos sistemas para el control de plagas

Rita Duran

Carlos Martinez

Ana Hernandez

Carlos Martínez

Caren Rosales

Estela Paulina Zerecero

Los NFs de micronutrientes consisten en micronutrientes como Zn, Fe, B, Mn, Cu, etc., que son requeridos por las plantas en cantidades más pequeñas en comparación con los macronutrientes. Estos micronutrientes se añaden en pequeñas cantidades a los fertilizantes NPK compuestos. Sin embargo, la disponibilidad de micronutrientes para las plantas puede ser baja, lo que provoca su deficiencia y reduce el crecimiento de las plantas. Los NFs de micronutrientes, debido a su pequeño tamaño y a su mayor superficie, pueden aumentar la biodisponibilidad de estos micronutrientes, facilitando también su acumulación en los órganos sumideros. Entre todos los micronutrientes, los NFs de Fe y Zn son los más enfocados debido a la prevalencia de su deficiencia en la población mundial. Consecuentemente, como en otros cultivos, también en trigo, el efecto de los NFs de Zn y Fe en el crecimiento y desarrollo ha sido mayormente estudiado.

La deficiencia de Zn tiene efectos devastadores en el crecimiento del trigo causando necrosis en los tejidos foliares, reducción del crecimiento de la planta, disminución de la calidad de la semilla, y consecuentemente, afectación del rendimiento.También tiene efectos considerables en los seres humanos, provocando trastornos del crecimiento y de la salud. Alrededor del 50% de la superficie terrestre mundial padece deficiencia de Zn. Aunque el exigente cultivo de cereales en suelos altamente alcalinos, ricos en calcio o fósforo y pobres en carbono orgánico, es el principal responsable de la reducida disponibilidad de Zn, la formación de compuestos insolubles como el carbonato de zinc o la hopeita y su unión con compuestos como los oxihidróxidos de hierro también reducen la biodisponibilidad del Zn

Incluso los fertilizantes de Zn solubles en agua no están completamente disponibles para las plantas debido a su precipitación tras la interfase con los fosfatos, carbonatos y calcio del suelo. Por lo tanto, la biofortificación es la inmensa necesidad actual para superar la deficiencia de Zn tanto en plantas como en humanos. Al igual que la deficiencia de Zn, la de Fe es una de las causas más frecuentes de malnutrición en el mundo y causa anemia. La ingesta diaria recomendada de Fe puede proporcionarse biofortificando con Fe los cultivos básicos como el trigo. Aunque los métodos de biofortificación genética y agronómica se han utilizado con éxito en varios programas para aumentar el contenido de Fe y Zn del trigo, el empleo de la nanobiofortificación para mejorar el Zn y el Fe del trigo ha sido limitado. Sin embargo, hay unos pocos estudios potenciales que han aplicado eficazmente la nanobiofortificación para mejorar el crecimiento y la calidad del trigo junto con los niveles de Fe y Zn.

Ana, Rita, Norma, Jairo, Rogelio y Jorge

Carlos Martínez

Caren Rosales

Rosaura Sanchez

Estela Paulina Zerecero

Carlos Martínez

Caren Rosales

Roasuta Sanchez

Estela Paulina Zerecero

El aguacate cv. Hass es uno de los frutos más dinámicos del mundo y tiene especial importancia en zonas tropicales, donde los fenómenos de variabilidad climática tienen un alto impacto en la productividad y la sostenibilidad. Las herramientas basadas en la nanotecnología podrían ser una alternativa para mitigar y/o adaptar las plantas a estos fenómenos. Nuestro enfoque se basó en identificar los cambios de temperatura y precipitación asociados a la variabilidad climática en zonas aguacateras de Colombia y proponer estrategias de mitigación basadas en el uso de nanotecnología.

Este estudio tuvo dos objetivos: (i) identificar las variaciones de temperatura y precipitación en zonas productoras de aguacate en Colombia y (ii) evaluar el efecto de nanopartículas de fosfato de calcio (nano CP) como alternativa para reducir el estrés en aguacate bajo condiciones de variabilidad climática simulada. Se determinaron clusters climáticos basados en el método de K-means espacial y con los datos de series temporales climáticas (1981-2020), se realizó un análisis de series temporales. Posteriormente se simularon los cambios en cada cluster en cámaras de crecimiento, evaluando las respuestas fisiológicas y de desarrollo en plántulas de aguacate sometidas a nanoCaP tras ajustar la forma de aplicación y la dosis.

La difracción XRD muestra que las fases de fosfato cálcico obtenidas por combustión en solución corresponden a una mezcla de nanopartículas de hidroxiapatita y witocklita con morfologías irregulares y tamaños de partícula de 100 nm. Tres clústeres explicaron ∼90% de la variación climática, con aumentos y disminuciones de la temperatura y las precipitaciones en el rango de 1-1,4 °C y 4,1-7,3% respectivamente. Los modelos de series temporales mejor ajustados fueron de medias móviles estacionarias autorregresivas integradas (SARIMA). Las plántulas de aguacate presentaron respuestas diferenciales (P<0,05) en función de los clusters, con una disminución del comportamiento fisiológico y del desarrollo entre el 10 y el 35%. Adicionalmente, la nanopartícula de fosfato de calcioredujo el estrés climático (P< 0.05) en un rango entre 10 y 22.5%. Este estudio identificó el efecto negativo de la variabilidad climática sobre las plántulas de aguacate y cómo el nanoCaP puede mitigar estos fenómenos.

Ana, Rita, Nidia y Jorge

Rosaura Sánchez

Estela Paulina Zerecero

Lo que hace especial a los nanomateriales artificiales es que a medida que el tamaño de la partícula disminuye, la superficie específica aumenta de manera inversamente proporcional a su tamaño, hasta que las propiedades de las moléculas de la superficie dominan, lo que da lugar a nuevas propiedades determinadas por las altas relaciones superficie-volumen.

La gran superficie de los nanomateriales artificiales puede tener varias consecuencias que han de tenerse en cuenta en el contexto de la evaluación de riesgos, ya que les hace diferentes a sus homólogos de micro y macroescala. Por ejemplo, tienen mayor reactividad (superficie) que los materiales que no son a escala nanométrica, porque muchas más moléculas pueden estar localizadas en la superficie en un estado energético inestable. Muchos tipos de nanomateriales artificiales catalizan reacciones, sobre todo reacciones por oxidación. Pueden actuar también como núcleos en procesos de nucleación heterogénea durante la cristalización o la recristalización en las ciencias de materiales (y modificar potencialmente la conformación secundaria o terciaria de proteínas). Los nanomateriales artificiales en los alimentos pueden abarcar muchas formas y experimentar cambios dinámicos en respuesta a su ambiente. Los nanomateriales artificiales libres (también denominados nanomateriales artificiales primarios) tienden a aglomerarse, lo que da lugar a partículas más grandes (nanomateriales artificiales secundarios), que pueden mantener algunas de las propiedades a escala nanométrica, tales como superficie y reactividad elevadas.

Como consecuencia de sus específicas propiedades fisicoquímicas, es de esperar que

las nanopartículas interactúen con las proteínas, los lípidos, los carbohidratos, los ácidos

nucléicos, los iones, los minerales y el agua de los alimentos, los piensos y los tejidos

biológicos.

Interacción de los nanomateriales con la biología

Biocinética: La biocinética abarca la absorción, la distribución, el metabolismo,

(biotransformación) y la excreción/eliminación de sustancias en el organismo. Las nanopartículas pueden pasar

del revestimiento de la barrera epitelial al tracto digestivo. Una vez que han pasado por el

epitelio, a través de las células o por vía de la endocitosis, las nanopartículas pueden

entrar en los capilares y pueden aparecer bien en la circulación sistemática bien en la

circulación periférica hasta el hígado. Si no, pueden ser distribuidas al sistema linfático, el

cual se vacía por medio del canal torácico en la circulación sistémica de la sangre. La

translocación de las partículas a través de las paredes del tracto digestivo es un proceso

que se realiza en varias etapas, que implica la difusión a través del revestimiento del muco

cubriendo la pared del tracto gastrointestinal, el contacto con el transporte de enterocitos

o células-M, celular o paracelular y fenómenos de post-translocación

Las nanopartículas de oro (58, 28, 10 y 4 nm) suministradas a ratones mostraron una mayor ingestión gastrointestinal con un tamaño cada vez menor (Hillyer y Albrecht, 2001). En un estudio en el que se utilizaron nanomateriales artificiales de poliestireno etiquetado I125 que van desde 50 a 3000 nm en ratas, Jani et al. (1990) se llegó a la conclusión de que el 34% de la etiqueta sobre las nanopartículas de 50 nm había sido translocado. No obstante, dicha conclusión ha de considerarse con prudencia, dado que la etiqueta no era estable, lo cual dio lugar a una excreción urinaria importante que era necesario corregir. Se constató que las partículas de dióxido de titanio (TiO2) de 500 nm (diámetro nominal) habían sido absorbidas, con el 5% de las dosis administrada absorbida después de 10 días de administración forzada repetida por vía oral a ratas (Jani et al., 1994). En cambio, por lo que respecta a las partículas de TiO2 más pequeñas (25, 80 y 155 nm), sólo se notificaron porcentajes muy pequeños 14 días después de la administración de dosis únicas de TiO2 a ratones (Wang et al., 2007a). No obstante, en dicho documento la caracterización de las partículas fue insuficiente y las dosis administradas (5 g/kg de peso corporal) fueron altas.

La absorción gastrointestinal de nanomateriales artificiales se puede ver afectada por revestimientos diferentes de superficies, tal como se indica para el metacrilato polimetilo saburral detergente (130±30 nm) administrado a ratas mediante alimentación forzosa. Si bien la ingestión aumentó por el revestimiento de la superficie, la absorción total varió entre un 1% y un 3% (Araujo et al., 1999). La degradación de nanopartículas de poli-ácido láctico-D,L (95 y 150 nm) en el tracto gastro intestinal administradas mediante alimentación forzosa a cobayas se redujo mediante el revestimiento de las partículas con albúmina o polivinil alcohol (Landry et al., 1998). El JECFA evaluó la biocinética de la beta-ciclodextrina (1995).