SERS basado en filtrado y crecimiento de Au in situ en el microambiente bacteriano para la detección rápida de niveles bajos de bacterias

 

Las infecciones bacterianas continúan siendo un desafío a nivel mundial, particularmente en situaciones en que un diagnóstico rápido y confiable es esencial para iniciar un tratamiento efectivo. Entre los patógenos clínicamente más importantes, Escherichia coli es la principal causante de infecciones en el tracto urinario que puede derivar en infecciones sistémicas graves como la septicemia. En estos casos, la detección de la presencia de la E. coli es crítica, sobre todo en las etapas iniciales de la infección (1-100 UFC/mL).

La espectroscopía Raman amplificada por la superficie (SERS, por sus siglas del inglés surface enhanced Raman scattering) ha sido una técnica analítica de mucha utilidad por su alta sensibilidad y capacidad de obtener información molecular. Sin embargo, enfrenta el desafío de poder detectar cantidades pequeñas de bacterias, en particular, cuando se encuentran en fluidos biológicos complejos como la sangre o la orina.  

Para detectarlas, se han diseñado plataformas basadas en SERS, que utilizan filtros para facilitar la separación y la detección de las bacterias. Sin embargo, las señales Raman generadas siguen siendo débiles, lo que limita la sensibilidad de la detección. Esta limitación se atribuye a una discrepancia en la escala de los componentes del sistema: mientras que los puntos calientes plasmónicos (hot spots), responsables de la amplificación de la señal Raman, se localizan en la escala nanométrica, las bacterias tienen dimensiones micrométricas. Esta diferencia de tamaño dificulta la interacción entre las bacterias y los puntos calientes y, en consecuencia, reduce la amplificación de la señal SERS.

En este estudio, un grupo de investigadores de Corea del Sur desarrolló una plataforma SERS con un filtro integrado y una estrategia de ingeniería para reconstruir los puntos calientes en el microambiente bacteriano. Después de capturar selectivamente las bacterias por su tamaño, fue posible hacer crecer nanopartículas de Au y formar estructuras plasmónicas directamente a su alrededor. De esta manera, los puntos calientes se localizan en la interfase bacteria-sustrato, lo que permite resolver la discrepancia de escala entre ambos y, al mismo tiempo, aumentar la probabilidad de interacción y acoplamiento.  

Con este proceso de integración de la plataforma propuesta se logra alta sensibilidad y selectividad en condiciones clínicas relevantes. Además, dado que la intensidad de la señal SERS se correlaciona directamente con la viabilidad de las bacterias, este sistema permite realizar pruebas rápidas de la susceptibilidad antimicrobial (AST, por sus siglas en inglés, Antimicrobial Susceptibility Testing), que provee información diagnóstica en un lapso temporal reducido.

Para mayor información, consultar: Small Methods

Aleación de titanio ultrarresistente basada en franjas de apilamiento menores a 10 nm mediante fabricación aditiva

 

Las aleaciones ligeras que combinan una elevada resistencia mecánica con una buena ductilidad son fundamentales para las aplicaciones estructurales avanzadas. Entre ellas, las aleaciones de titanio (Ti) destacan por su alta resistencia específica, su resistencia a la corrosión y su versátil estabilidad de fases, características que las hacen especialmente atractivas para la ingeniería estructural a nanoescala. 

Por su parte, los metales nanoestructurados presentan propiedades de resistencia mecánica y funcionales excepcionales, asociadas a la incompatibilidad de la deformación y a la densidad de las fronteras de grano. Sin embargo, sigue siendo un desafío obtener metales en bulto totalmente nanoestructurados, sobre todo cuando se requieren componentes de geometrías complejas para aplicaciones prácticas. Métodos consolidados como la erosión iónica, el electrodepósito y la deformación plástica severa han demostrado que es posible obtener metales con nanoarquitecturas y propiedades sobresalientes. No obstante, la brecha entre los resultados obtenidos en el laboratorio y su implementación industrial continúa siendo considerable.

Un grupo de investigadores de China fabricó una aleación compuesta por Ti combinado con Al y Cr en porcentajes de 7.5 y 3.3.   Mediante la fabricación aditiva (AM, del inglés additive manufacturing), de abajo hacia ariba (bottom-up) y empleando la técnica de fusión láser de lecho de polvo (o fusión selectiva por láser) (LPBF, del inglés laser powder bed fusion) se obtuvo una aleación con resistencia mecánica ultraelevada. La composición y los parámetros de procesamiento se optimizaron utilizando métodos de aprendizaje de máquina (machine learning) y experimentación de alto rendimiento. Con la técnica LPBF, mediante estrategias programadas de barrido del láser, los polvos metálicos se fundieron y solidificaron selectivamente capa a capa, sometiendo a los componentes a gradientes térmicos extremos, velocidades de enfriamiento elevadas y ciclos térmicos repetidos. 

Se estudió la influencia de los elementos de la aleación en las energías interfaciales de la aleación de Ti mediante cálculos ab initio basados en la teoría del funcional de la densidad.                      

La microestructura nanoestructurada compuesta por franjas de apilamiento de menos de 10 nm le confiere a la aleación de Ti un límite elástico de ~1,5 GPa, una resistencia a la tracción superior a 1,7 GPa, un alargamiento uniforme de ~7,5 % y una resistencia específica de ~380 MPa cm³ g⁻¹. 

La aleación de Ti desarrollada combina alta resistencia, ductilidad y capacidad de fabricación a escala, una combinación de propiedades prometedora para aplicaciones estructurales. Esta metodología abre nuevas posibilidades para desarrollar metales con mejores propiedades mecánicas y mayor capacidad de fabricación, incluso para las aplicaciones más exigentes.

Más información en: nature materials

La epitaxia van der Waals suprime la fractura térmica de metales ultradelgados

 

Las películas delgadas metálicas son indispensables para la electrónica moderna. Sin embargo, cuando su espesor se reduce a la escala nanométrica, pueden presentar inestabilidades similares a las de los líquidos. Una de ellas es la deshidratación, que provoca que la película se retraiga espontáneamente, formando rugosidades y perdiendo su continuidad. Estas inestabilidades térmicas limitan la temperatura de funcionamiento de las películas metálicas ultradelgadas a alrededor de 300 °C, lo que dificulta su integración en dispositivos bidimensionales (2D).

Para superar esta limitación, científicos de diversas instituciones chinas desarrollaron películas delgadas de oro de aproximadamente 40 nm de espesor mediante epitaxia van der Waals (vdW) sobre grafeno, utilizando evaporación por haz de electrones. A diferencia de la epitaxia convencional —en la que las capas de material se depositan sobre un sustrato con una superficie ordenada, de modo que sus átomos pueden alinearse de manera precisa—, la epitaxia vdW se basa en interacciones más débiles entre las capas. Esto permite el crecimiento de materiales sobre sustratos con estructuras cristalinas diferentes y sin que exista necesariamente un enlace químico directo entre ambas superficies, gracias a las fuerzas de van der Waals entre ellas.

Los resultados muestran que la epitaxia vdW sobre grafeno favorece la formación de una microestructura más uniforme, caracterizada por granos con orientación preferencial (111) y fronteras de grano de baja energía. Esta microestructura modifica el comportamiento de la película a altas temperaturas: reduce las fuerzas capilares que normalmente favorecen la ruptura de la película y facilita procesos de autorreparación que contribuyen a mantener su continuidad. Como resultado, las películas delgadas de oro mantienen su continuidad incluso a temperaturas cercanas a 850 °C, muy por encima del límite convencional de aproximadamente 300 °C. En contraste, las películas obtenidas mediante métodos convencionales presentan una microestructura más heterogénea y fronteras de grano menos favorables para su estabilidad térmica.

Estos resultados muestran que el control de la microestructura mediante epitaxia vdW puede ser una estrategia para mejorar significativamente la estabilidad térmica de las películas metálicas ultradelgadas y facilitar su integración en dispositivos 2D. Con esta nueva metodología se pueden aumentar las temperaturas y los tiempos de fabricación, lo que permite fabricar dispositivos de nueva generación con componentes de alta calidad. 

Más información en: nature communications

Síntesis programable e in vivo de puntos cuánticos para el tratamiento de cáncer

 

Los puntos cuánticos (QD, por sus siglas del inglés quantum dots) son nanopartículas semiconductoras capaces de convertir la luz incidente en calor o reemitirla con otras longitudes de onda. En medicina, los QD’s fabricados con seleniuro de plata (Ag2Se) resultan prometedores porque son sensibles al infrarrojo cercano (NIR-II), luz que penetra con facilidad en los tejidos biológicos. Sin embargo, cuando estas nanopartículas se sintetizan in vitro e inyectan en el cuerpo, el organismo las elimina rápidamente antes de que lleguen al tumor.

Para superar este obstáculo, un equipo de la Universidad de Nankai (China) diseñó una estrategia innovadora: sintetizar los puntos cuánticos directamente dentro de las células cancerosas. 

Para lograrlo desarrollaron la plataforma conocida como nanosintetizador integral con jerarquía espacial (conocido como SHINE por sus siglas del inglés spatially hierarchical integrated nanosynthesizer) de carácter  multifuncional, que transporta los dos ingredientes necesarios, plata y selenio para formar el punto cuántico de Ag2Se.  

El SHINE integra una fuente de plata encapsulada en ferritina con una fuente de selenio sintetizada específicamente para este propósito, ambas localizadas en una nanocápsula cubierta de sílice físicamente aislada y sensible al glutatión. La clave del sistema reside en su liberación secuencial: la capa de sílice actúa como un temporizador que regula el momento exacto en que se liberan ambos precursores.

El mecanismo se activa gracias al propio tumor. Las células cancerosas poseen un microambiente rico en glutatión, un antioxidante endógeno. El glutatión degrada la cubierta de SHINE y libera primero el selenio y luego la plata. Dentro del tejido maligno, ambos componentes reaccionan espontáneamente para formar nanocristales de Ag2Se de tan solo 3 nm.

En ensayos con modelos murinos, la fluorescencia debida a la excitación con el láser iluminó los tumores dos horas después de la inyección y se mantuvo estable durante días. Además de actuar como agentes de imagen (para diagnóstico), el proceso ofrece una función terapéutica adicional. La formación de las partículas de Ag2Se agota el glutatión del tumor, debilitándolo e incrementando el estrés oxidativo. Al aplicar la luz infrarroja, NIR II, los puntos cuánticos alcanzan temperaturas de 50–56 °C, destruyendo las células cancerosas mediante terapia fototérmica. El crecimiento tumoral se reduce en más del 50 %, y con la irradiación láser se incrementa la inhibición hasta en un 70 %.

Este avance demuestra una metodología para la producción controlada de nanomateriales funcionales dentro de organismos vivos y hace posible la síntesis de agentes diagnósticos y terapéuticos in situ, evitando la toxicidad de administrar nanopartículas prefabricadas.

Angewandte Chemie International Edition

Síntesis y ensamblaje activo de redes de ADN empleando nanomáquinas biomoleculares

 

Las células utilizan nanomáquinas moleculares, como enzimas y proteínas motoras, para realizar trabajo y controlar activamente la organización de la materia en su interior. En este contexto, los microtúbulos -estructuras filamentosas, formadas por proteínas de tubulina, que son parte del citoesqueleto celular- funcionan como vías para el transporte y la organización de componentes dentro de las células. Sobre los microtúbulos se desplazan proteínas motoras, como las cinesinas y las dineínas, que transportan moléculas en distintas direcciones: las cinesinas, del centro de la célula hacia la membrana, y las dineínas, en sentido contrario. Para desplazarse, estas proteínas utilizan la energía química del ATP.

Estos procesos dependientes de la energía del ATP se conocen como ensamblaje activo, y permiten la generación de estructuras y de transformaciones complejas que difícilmente podrían producirse mediante el autoensamblaje convencional. Comprender y reproducir el ensamblaje activo representa un reto importante para las nanociencias, ya que permitirá fabricar materiales con un alto nivel de organización y con respuestas dinámicas.

Un equipo de investigadores de Japón desarrolló una estrategia para fabricar materiales utilizando una de estas nanomáquinas biomoleculares. Unieron cadenas de ADN a microtúbulos y aumentaron la longitud de las cadenas mediante la enzima ADN polimerasa -la enzima encargada de replicar el material genético. Después, colocaron los microtúbulos en una cámara en cuya superficie se encontraban cinesinas ancladas. 

Observaron, mediante microscopía de fluorescencia, que al agregar una solución que contenía ATP se generaba movimiento de los microtúbulos, provocando que las cadenas de ADN enlazadas a ellos se estiraran y entretejieran hasta formar una red bidimensional en pocos minutos. Finalmente, determinaron que la concentración de microtúbulos y el tiempo de síntesis del ADN modificaban la conectividad y complejidad de la red bidimensional. 

El sistema ADN–microtúbulos ofrece un modelo para estudiar cómo las fuerzas generadas por motores moleculares pueden controlar la formación, conectividad y organización de redes. Además, una secuencia de ADN puede diseñarse para programar las interacciones y la conectividad de la red. El trabajo propone una estrategia para fabricar biomateriales mediante nanomáquinas moleculares activas que permitirá desarrollar materiales bioinspirados con propiedades adaptativas y potencialmente de auto-regeneración. 

Para mayores detalles consultar:

Small