| dc.description.abstract | Patógenos hace referencia a microorganismos (incluyendo bacterias, virus, hongos, etc.) y
parásitos que causan infecciones en organismos. Entre los cuáles las bacterias y los virus son
los más comunes y más dañinos. Ellos infectan humanos, plantas y animales de varias formas,
puede ser por la comida, aire o agua, y están estimados que son responsables de más de 15
millones de muertes en el mundo por año. Por ejemplo, el virus de Covid-19 ha causado no
sólo cientos de miles de muertes, sino que también ha impactado en la economía mundial. Por
otro lado, este acontecimiento nos ha llamado la atención para que respetemos la naturaleza y
protejamos el medio ambiente. Y, por otro lado, también refleja la importancia de la detección
oportuna y precisa de patógenos para un rápido aislamiento y tratamiento.
Las tradicionales técnicas para análisis de patógenos, como PCR y ELISA son altamente
sensibles y duraderos, pero tiene laboriosos procesos de pruebas, tratamiento previo que
requiere mucho tiempo, y la necesidad de equipo y personal profesional. Como resultado, es
necesario desarrollar técnicas analíticas alternativas para un monitoreo rápido, sensible y
continuo en tiempo real de los patógenos.
El biosensor es un tipo de dispositivo analítico que integra el reconocimiento biológico con
detectores fisico-químicos para la detección de analitos. Gracias a su rendimiento superior
como alta selectividad y sensibilidad, bajo coste, alta eficiencia, miniaturización, etc., hasta la
fecha, los biosensores han sido ampliamente desarrollados y aplicados en seguridad
alimentaria, monitoreo ambiental y diagnóstico clínico.
Grafeno
El grafeno, es un nanomaterial de carbono bidimensional de un átomo de espesor con
entramado hexagonal de panal, se aisló del grafito por primera vez en 2004. Desde entonces,
el grafeno y sus derivados han atraído una amplia atención debido a las propiedades ópticas únicas, la excelente conductividad, la excelente resistencia mecánica y las vastas superficies
específicas. Se consideran un material revolucionario en el futuro y tienen importantes
perspectivas de aplicación en la ciencia de materiales, energía, biosensing, biomedicina y
administración de medicamentos. Preparación del grafeno
Una de las más comunes es la exfoliación micromecánica, que utiliza la fricción y el
movimiento relativo entre el grafito y los objetos para producir una fina capa de grafeno. Este
método tiene un bajo costo y un funcionamiento sencillo, y es capaz de obtener grafeno con
una estructura cristalina intacta. Sin embargo, sólo es adecuado para investigaciones científicas
básicas y es difícil de lograr producción y aplicación a gran escala debido a la incontrolabilidad
del tamaño, la forma y las capas del grafeno.
Para la síntesis por medio de óxido-reducción del grafeno primero se tiene que someter al
grafito a un proceso de oxidación, para romper las fuerzas intermoleculares (Fuerzas de Van
der Waals), por medio de la unión de grupos funcionales (hidroxilos, éteres y epóxidos) en los
dominios aromáticos. En el segundo paso es la reducción, en este proceso la conductividad
eléctrica se recupera por la reducción, en la cual hay una eliminación de los grupos funcionales
y la restauración de los enlaces de carbono sp2. A su vez esta eliminación aumenta la
hidrofobicidad del grafeno reducido presentándose como un sólido negro precipitado. Y en este
paso hay dos métodos: química y térmica. El primero implica el uso de agentes reductores que
permiten la eliminación de los grupos funcionales agregados en la oxidación; y la térmica
permite la exfoliación y reducción directamente por la descomposición por la rápida expansión
de los gases que ejercen presión sobre las capas provocando la separación de los grupos
funcionales oxigenados.
La síntesis de grafeno por CVD se basa en gases orgánicos de carbono como el metano y el
etanol y aunque actualmente es caro e imperfecto, se cree que es el método más prometedor
para la producción industrializada de grafeno.
Propiedades del grafeno
Desde este punto de vista atómico, el grafeno es el material más delgado que jamás se haya
podido obtener: una lámina de grafeno está formada por una sola capa de átomos de
carbonos enlazados, y tiene un espesor de tan sólo 3,35 Å (es decir, 3,35·10-10 m.). Por todo
ello, el grafeno se trata de un material muy ligero de peso: la densidad del grafeno es de tan sólo 0,77 mg/m2
. Así, dada su bajísima densidad se podrían cubrir grandes extensiones de
terreno empleando una capa de grafeno que pesase tan sólo unos pocos gramos.
La conductividad eléctrica y térmica del grafeno está al nivel de los mejores materiales
conductores de electricidad y calor que existen. Esto se debe gracias a su particular disposición
espacial de los átomos de carbono en el grafeno, y al enlace de tipo covalente que se establece
entre ellos, los electrones se pueden desplazar sobre su superficie a una velocidad
increíblemente elevada, mayor que en ningún otro material conocido. Investigaciones recientes
han podido medir dicha velocidad arrojando unos resultados sorprendentes: se mueven
alrededor de 1000 km/s, tan sólo 300 veces inferior a la velocidad de la luz en el vacío. Por
tanto, se puede decir que, en el caso del grafeno, su estructura interna proporciona un camino
libre de obstáculos para la rápida circulación de los electrones, que son los que conducen la
electricidad.
Entre sus propiedades mecánicas está que es el material con la mayor resistencia mecánica de
todos los materiales conocidos en la naturaleza, incluso es mucho más resistente que el más
resistente de los aceros. Esta propiedad hace del grafeno que sea un material que pueda resultar
de gran utilidad en aquellas aplicaciones donde se requiera de una gran resistencia mecánica y
de muy poco peso. El origen de la gran resistencia mecánica que ofrece el grafeno hay que
buscarlo en los enlaces covalentes tipo σ que se establece entre los átomos de carbono que
conforman su red cristalina.
Además, tiene otras propiedades como su capacidad de reaccionar con otros compuestos. Esta
propiedad permite poder combinar el grafeno con otros materiales con objeto de obtener otros
nuevos compuestos que tengan diferentes y mejoradas propiedades. Tiene capacidad aislante,
se ha descubierto que membranas fabricadas por un compuesto donde interviene el grafeno, en
concreto membranas de óxido de grafeno, son impermeables a todos los gases y líquidos
conocidos. Ello es debido a que la estructura interna de estas membranas hechas con óxido de
grafeno presentan una densidad atómica muy alta, que impide el paso de otras moléculas a
través de ellas. Y también tiene propiedades ópticas, ya que es un material que se puede
considerar prácticamente transparente, ya que absorbe casi el 2,3% de la intensidad de la luz
blanca que llega a su superficie (transmitancia aproximada del 97,7%). Esta propiedad, unida
a la extraordinaria flexibilidad que posee el grafeno y su excelente conductividad eléctrica,
permite el empleo de este material para la fabricación de circuitos flexibles y transparentes, lo
que abre la puerta a su uso en múltiples aplicaciones asociadas a las nuevas tecnologías. Así,
el grafeno se está empleando en la actualidad en la fabricación de pantallas táctiles flexibles
para dispositivos electrónicos, resultando pantallas de una vida útil casi ilimitada y a un costo
de fabricación muy competitivo.
Bio-funcionalización del grafeno
Existen varias estrategias para funcionalizar los nanomateriales a base de grafeno con
biomoléculas, que se pueden dividir en dos categorías principales según el principio de
interacción: la modificación no covalente y la funcionalización covalente.
Debido a la enorme superficie aromática bidimensional, los materiales de grafeno son capaces
de interactuar firmemente con cualquier molécula que contenga anillos aromáticos a través del
apilamiento de π–π. Por consiguiente, la mayoría de las biomoléculas (por ejemplo, ADN,
anticuerpos, etc.) podrían conectarse directamente a la superficie del grafeno. Y algunas otras
biomoléculas también pueden ser adsorbidas en la superficie del grafeno por diseño estructural
especial o modificación de enlaces de moléculas aromáticas como el pireno, la porfirina y sus
derivados. La interacción electrostática también desempeña un papel importante en la interfaz
entre las biomoléculas y los materiales de grafeno. GO y rGO se cargan negativamente debido
a sus grupos que contienen oxígeno, por lo que son capaces de adsorber las biomoléculas con
cargas positivas. Y el grafeno neutro, o incluso GO/rGO negativo, también se puede cargar
positivamente mediante la funcionalización de polímeros como el polietileno, la polianilina,
etc., por lo tanto, la reticulación electrostática con biomoléculas cargadas negativamente.
Además, el grafeno original es conocido por ser hidrófobo, y GO tiene un borde hidrófilo y
una base central hidrófoba, de modo que las interacciones hidrofóbicas entre ellos y ciertas
biomoléculas que contienen grupos hidrófobos también contribuyen a la unión no covalente de
nanocompuestos biomoléculas-grafenos.
En vista de la alta estabilidad de la unión covalente, los métodos de modificación covalentes
tienen una gran importancia para funcionalizar nanomateriales grafenos con biomoléculas. Las
superficies de GO y rGO son ricas en grupos funcionales que contienen oxígeno, como los
grupos carboxilo e hidroxilo, lo que las convierte en sustratos ideales para inmovilizar
biomoléculas que también contienen múltiples grupos funcionales. Es bien sabido que la
mayoría de las biomoléculas (como proteínas, enzimas, anticuerpos, péptidos, etc.) contienen
numerosos grupos amino, que podrían formar enlaces de amida estables con grupos carboxilo
en la superficie de GO o RGO bajo la ayuda de EDC (1-etil-3-(3-
dimetilaminopropil)carbodiimida) y NHS (N-hidroxisuccinimida), anclando biomoléculas a
nanomateriales. En cuanto a unas pocas moléculas biológicas sin grupos amino funcionales,
como los ácidos nucleicos, la conjugación similar puede lograrse etiquetando un grupo amino
en su terminal. Además, vale la pena señalar que la introducción de polianilina mencionada
anteriormente no sólo puede mejorar la adsorción física entre biomoléculas y materiales de
grafeno, sino también proporcionar grupos amino para su acoplamiento covalente.
Sensores de grafeno para detectar virus
Como es bien sabido, la enfermedad que provoca el COVID-19 es un problema global y que
muchos investigadores han intentado hacer una vacuna, así como productos protectores para la
atención de salud pública. COVID-19 se forma mediante partículas de envoltura esféricas que
encierran un ARN de sentido positivo de una sola cadena asociada con una nucleoproteína
dentro de un cápside compuesto de proteína de la matriz como se muestra.
Y en los últimos años, se ha demostrado que los sensores de grafeno son capaces de detectar y
probar de forma avanzada, como la tasa de respiración, la glucosa en sangre y la presión, la
temperatura corporal en tiempo real, las pequeñas imágenes de lunares, y las interacciones
proteicas y la detección de virus.
Recientemente, un grupo de investigadores de la República de Corea del Sur ha desarrollado
con éxito un biosensor basado en transistores que detecta SARS-CoV-2. El primer paso se
centró en fabricar y purificar la proteína S, spike o espícula del virus, que es la que le permite
“conectarse” con el receptor celular y liberar su genoma en el interior de la célula que va a
infectar. Después el biosensor fue fabricado por hojas de grafeno recubiertas de transistor de
efecto de campo (FET) con un anticuerpo específico contra la punta de la proteína SARS-CoV-
2 o proteína S. Estos nanosensores producen una señal cuando detectan la unión entre el
anticuerpo y el antígeno S, es decir, cuando la muestra pertenece a una persona infectada con
el virus. Diferentes biomoléculas como ADN, anticuerpos, enzimas y células se han
incorporado en la superficie más grande de grafeno para el desarrollo de biosensores.
Además, el grafeno oxidado funcionalizado con curcumina mostró gran biocompatibilidad con
las células huésped y altamente eficiente inhibición para el virus respiratorio sincitial (RSV).
Este compuesto también se utilizó en imágenes biológicas debido a su baja citotoxicidad, mejor
fotoestabilidad y excelente capacidad de focalización tumoral. Y en otra investigación, se
informó sobre la aplicabilidad de los compuestos de GO-curcumin como antibiótico resistente
a Stayphylococcus aureus resistente a meticilina.
En otro ejemplo se propuso un biosensor electroquímico basado en polímero de grafeno para
detectar el virus del dengue en etapa temprana (DENV) y la detección de anticuerpos. Las
superficies de polímero GO fueron funcionalizadas por el componente DENV utilizando un
proceso de autoensamblado que hace que la superficie del polímero sea más selectiva y sensible
al virus.
Y se ha demostrado que los nanocompuestos de rGO decorados con nanopartículas de oro se
pueden utilizar como una superficie funcionalizada de antígeno para detectar la existencia del
antígeno del núcleo del virus de la hepatitis B. Del mismo modo, se propuso un nanocompuesto
magnético asistido por ADN para detectar la presencia del virus de la hepatitis C. Esta
detección ultrasensible del virus se logró a través de la respuesta de señal electroquímica de los
iones de cobre catalizado oxidación de o-fenilendiamina.
Conclusión
El elevado número de propiedades del grafeno, o de los materiales basados en el grafeno, hacen
que su rango de aplicaciones sea muy amplio, prácticamente ilimitado. El grafeno es un
material muy versátil, una de sus características más importantes es la posibilidad de
funcionalizarlo, es decir, introducir grupos reactivos en su estructura. Esto ha hecho que la
aplicación hacia un biosensor sea de gran utilidad para detectar virus con rapidez y eficacia,
que en el caso de la pandemia actual es de gran ayuda. Del mismo modo, se requiere más
avance e investigación contra el diagnóstico y tratamiento del SARS-CoV-2. Por lo tanto,
podemos decir que el grafeno puede tener un papel principal contra COVID-19. | |
