Dr. Walter Orellana: Nanotecnología para la purificación del agua

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Los efectos del calentamiento global, la mala gestión de los recursos hídricos disponibles y el aumento de la población y la contaminación; han producido escasez de agua en ciertas regiones del mundo. Este fenómeno no sólo pone en peligro la vida de miles de especies en el planeta, sino que además propone un desafío mayor a la forma en que el ser humano ha planteado su vida.

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Recogiendo este problema, el Dr. Walter Orellana, académico de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello, junto al alumno de postgrado Raúl Guerrero, trabajan en la utilización del grafeno para la desalinización y purificación del agua.

“El grafeno es hoy uno de los nanomateriales más importantes del mundo, ya que posee características que lo hace único. Es más fuerte que el acero, pero con un sexto de su peso y posee el ancho de un átomo”, explica el Dr. Orellana.

El objetivo del investigador es la creación de un tamiz para purificar a partir de láminas de grafeno nanoporoso, las que se usan como membrana. De esta forma, se podría utilizar la capacidad del grafeno de filtrar el agua, removiendo sales como iones de cloro y sodio, pero también puede eliminar elementos altamente tóxicos, como el arsénico, en condiciones estándar de presión y temperatura.

“Por medio de la simulación computacional cuántica se obtuvieron los primeros resultados. Éstos indican que poros de 1,3 nanómetros de diámetro serían efectivos para el bloqueo de iones en agua salada y a la vez permitirían el flujo adecuado de moléculas de agua, considerando el tamaño del poro, a presiones relativamente bajas”, expone el Dr. Walter Orellana.

De la misma forma, el académico de la Facultad de Ciencias Exactas destaca que esta investigación puede significar un aporte importante a la sociedad, ya que “permitirá enfrentar la escasez hídrica en el mundo, especialmente en el Norte de Chile, donde la falta de agua dulce y libre de contaminantes es un problema creciente”.

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Purifying water through nanotechnology

The effects of global warming, poor water resource management, a growing human population, and increased contamination have resulted in water shortages in certain regions of the world. This phenomenon not only endangers the existence of thousands of species across the planet, but will also greatly challenge the way in which humans live.

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Addressing this problem, Dr. Walter Orellana –researcher for the Faculty of Exact Sciences at Universidad Andrés Bello– and the post-graduate student Raúl Guerrero, are working on using graphene to desalinize and purify water.

“Graphene is currently one of the most important nanomaterials in the world as it possesses unique characteristics. It is stronger than steel but has 1/6th of the weight and the width of one atom”, explains Dr. Orellana.

The research objective of Dr. Orellana is to create a purification sieve from layers of nanoporous graphene used as a membrane. This graphene-based sieve could then filter water under standardized conditions of pressure and temperature.

Importantly, water filtration through graphene would remove salts, such as chlorine and sodium ions, and eliminate highly toxic elements, such as arsenic.

“Through quantum computer simulations, we have obtained our first results. These indicate that pores 1.3 nanometers in diameter would effectively block saltwater ions while allowing an adequate flow of water molecules at relatively low pressures, taking into account the size of the pores”, explains Dr. Walter Orellana.

Likewise, Dr. Orellana highlights that the results of this research could be significant to society. “We would be able to face water shortages in the world; in Northern Chile, for example, where a lack of uncontaminated freshwater is a growing problem”.

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Dr. Rolando Martínez: Nanopartículas para combatir el cáncer

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El cáncer es una de las enfermedades más temidas de nuestros tiempos. Y con razón, ya que se encuentra entre las cuatro patologías no infecciosas que más muertes causan al año en el mundo y los tratamientos disponibles hasta hoy son altamente invasivos, perjudicando en otros aspectos a la salud de los pacientes.

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En este sentido, la investigación científica busca la formulación de nuevos fármacos y sistemas de liberación controlada, que permitan a los pacientes combatir la enfermedad de manera localizada y disminuyendo efectos colaterales.

Entre estos avances se encuentra el uso de nanopartículas como sistema de liberación de drogas. En este campo se encuentra trabajando el Dr. Rolando Martínez, académico de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello, en conjunto con investigadores de las universidades de Valparaíso y Autónoma de Chile. A través de su investigación, el docente estudia la producción de nanoestructuras a partir de nanoagregados poliméricos, formados a partir de copolímeros anfifílicos.

“Este estudio abarca la extracción de productos naturales chilenos y su modificación sintética, con el fin de obtener nuevas drogas que presenten actividad biológica y que tengan efecto terapéutico contra el cáncer y ciertos tipos de hongos”, explica el Dr. Martínez.

De la misma forma, el académico del Departamento de Química UNAB expone que este proyecto, que recibe financiamiento a través de Fondecyt, busca solucionar un problema particular. En la naturaleza existe una amplia variedad de productos naturales que han mostrado una interesante actividad contra el cáncer.

No obstante, también presentan problemas de solubilidad en agua. “Para superar este problema, se propone modificar la estructura química de estos compuestos, utilizando el enfoque profármaco, en la cual una cadena macromolecular polar se une a la estructura de drogas”, manifiesta el académico de la Universidad Andrés Bello.

Finalmente, el Dr. Rolando Martínez define que el uso terapéutico de polímero representa una forma prometedora para diseñar sistemas de administración de fármacos para diferentes aplicaciones biológicas. De hecho, los avances logrados por su grupo de investigación no sólo pueden aplicarse al cáncer, sino que podrían tener efecto contra plagas agrícolas y patologías que aquejan a la industria salmonera.

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Nanoparticles in the fight against cancer

Cancer is currently one of the most feared diseases of our time, and for good reasons. Cancer is one of the four noninfectious pathologies that cause the most deaths per year in the world. Furthermore, the available treatments are highly invasive and harm other aspects of a patient’s health.

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Due to this, there are ongoing scientific research searching for new cancer therapy drugs and systems for the controlled release of these drugs. These revolutions would allow patients to fight cancer locally, thereby reducing the collateral effects of treatment.

Among the advances under research is the use of nanoparticles for drug release. Working in this field is Dr. Rolando Martínez, researcher for the Department of Chemistry, Faculty of Exact Sciences at e Universidad Andrés Bello. Together with researchers from Universidad de Valparaíso and Universidad Autónoma de Chile, Dr. Martínez is studying the production of nanostructures from polymeric nanoaggregates, which are formed from amphiphilic copolymers.

“This study encompasses the extraction and synthetic modification of natural compounds from Chile to obtain new drugs with biological activities that have a therapeutic effect against cancer and certain types of fungi,” explains Dr. Martínez.

Dr. Martínez highlights that another goal of this Fondecyt-funded project is to solve a problem regarding natural extracts. Specifically, a wide variety of natural compounds with interesting effects against cancer also present issues of water solubility.

“To overcome this difficulty, we propose modifying the chemical structure of these compounds using a prodrug focus in which a polar macromolecular chain binds to the drug’s structures”, states Dr. Martínez.

Finally, Dr. Rolando Martínez emphasizes that the therapeutic use of polymers is a promising technique for designing drug administration systems with different biological applications. In fact, the advances achieved by his research group can be applied not only to cancer, but also in treatments against agricultural pests and salmon aquaculture pathologies.

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Dr. Ignacio Poblete: Biopolímeros hechos en Chile

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Los biopolímeros son macromoléculas producidas por diferentes sistemas biológicos, que presentan propiedades físicas y mecánicas similares a los polímeros convencionales sintetizados a partir de derivados del petróleo. Actualmente los biopolímeros son utilizados para la producción industrial de films y envases de plásticos.

ignacio-pobleteEn los últimos años la ciencia ha visto en esta técnica la forma de crear biomateriales capaces de contener sustancias específicas y de degradarse al estar en contacto con un organismo vivo o a la exposición al ambiente. Características por las que se han utilizado en diversas aplicaciones médicas, agropecuarias y mineras.

No obstante, dados los avances logrados por la bionanoctenología y la expansión de sus aplicaciones, se hace necesario crear biopolímeros específicos capaces de adecuarse a las características de las sustancias encapsuladas y a los objetivos que persiguen.

Es en este campo en el que se desarrolla la investigación del Dr. Ignacio Poblete, académico del Centro de Bioinformática y Biología Integrativa de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Andrés Bello, quien busca crear nuevos biopolímeros de bajo costo de producción y biodegradables.

“Trabajamos en base a una bacteria ambiental llamada Pseudomonas putida, la cual es capaz de generar biopolímeros con características específicas, manejando factores como el tipo de carbono que se le suministre, y la modificación de propiedades genéticas y ambientales”, indicó el Dr. Ignacio Poblete.

Añade que para esto, aplican técnicas de modelamiento matemático a escala genómica, el cual guía la ingeniería genética de nuestro microorganismo productor. “Este sistema nos permite adecuar la red metabólica de la bacteria y generar los precursores químicos específicos para sintetizar un biopolímero con características especiales, es como un traje a la medida”, explica el académico
UNAB.

De la misma forma, el investigador del Centro de Bioinformática y Biología Integrativa agrega que este proceso posee elementos muy llamativos. “Por ejemplo, se ocupan desechos orgánicos como materia prima y el biopolímero resultante no necesita recibir transformaciones químicas posteriores, y sólo debe ser purificado luego de extraerse”.

“Nuestro objetivo es crear biopolímeros a la medida. Es decir, si un tratamiento requiere que la liberación de un fármaco se realice en seis horas, podemos fabricar un polímero que se ajuste a esa condición. Esto nos permitirá optimizar el uso de este sistema en las distintas áreas en las que se ocupa”, finaliza el Dr. Ignacio Poblete.

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Chilean biopolymers

Biopolymers, macromolecules produced by various biological systems, present physical and mechanical properties similar to conventional petroleum-synthesized polymers. Currently, biopolymers are utilized for the production of industrial film and plastic packaging.

ignacio-pobleteIn recent years, science has used biopolymers to create biomaterials able to hold specific substances and degrade when exposed to living organisms or certain environments. These characteristics have led to a number of biopolymer applications in the medical, agricultural, and mining fields, among others.

Given biotechnological advances and expanded applications, there is a necessity to create biopolymers able to adapt to the specific characteristics of and objectives for the enclosed substance.

Dr. Ignacio Poblete, researcher for the Center for Bioinformatics and Integrative Biology of the Biology Faculty at the Universidad Andrés Bello, is dedicated to this field of research and is investigating ways to create new low-cost biopolymers and biodegradable products.

“We work with the environmental bacterium Pseudomonas putida, which can be used to create biopolymers with specific characteristics. We can manage factors such as the type of supplied carbon and the modification of genetic and environmental properties”, Dr. Poblete explains.

To accomplish this goal, mathematical modeling techniques are applied on a genomic scale to guide the genetic engineering of biopolymer-producing microorganisms. “This system allows us to tailor the metabolic network of the bacteria to create the chemical conditions needed for synthesizing a biopolymer with specific characteristics”.

Dr. Poblete adds that this process has striking elements. “For example, although organic waste is used as the raw material, the resulting biopolymers require no additional chemical processing. They only need to be purified after extraction”.

“Our objective is to create custom-built biopolymers so that, if a treatment requires the release of a drug in six hours, we can create a polymer that adjusts to this requirement. Customization will allow us to optimize this system for use in many different fields.”

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Dr. Ramiro Arratia: La nanociencia aplicada a la medicina

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En los últimos años, los avances de la ciencia se han enfocado en la búsqueda de nuevas herramientas tecnológicas capaces de dar solución a una amplia gama de problemas, de manera eficiente, rápida y localizada.

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De esta forma, surge la bionanotecnología, área de investigación dedicada al diseño y construcción de estructuras microscópicas altamente especializadas, las cuales presentan propiedades modificables y aplicables a objetivos específicos.

En este contexto, el trabajo del equipo liderado por el Dr. Ramiro Arratia-Pérez, director del Núcleo Milenio de Ingeniería Molecular para Catálisis y Biosensores y, del Doctorado en Fisicoquímica Molecular de la Universidad Andrés Bello; propone el diseño de nuevas moléculas, clusters y nanoestructuras luminiscentes basadas en minerales estratégicos chilenos.

“Para lograr estas estructuras aplicamos conceptos de ingeniería molecular en simulaciones computacionales, con el fin de diseñar biosensores que tengan aplicación en diversas áreas, tales como la medicina, la agrociencia, la industria textil e, incluso, en tecnologías optoelectrónicas, como son las pantallas LED y OLED”, destaca el Dr. Arratia.

El académico de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello, explica también que “nuestra investigación trabaja en directa y sinergética relación con el área de modelamiento molecular, el cual se utiliza como herramienta predictiva en el diseño de nuevas nanoestructuras y moléculas”.

Una de las principales aplicaciones de estas tecnologías en desarrollo es la creaciónde nuevos métodos para la detección de ciertos tipos de cáncer. Al ingresar al paciente, estas moléculas luminiscentes tienen la capacidad de adherirse al tejido cancerígeno y luego, al ser observado a través de técnicas de imagenología, estas moléculas pueden iluminarse, actuando como marcadores de masas tumorales.

El equipo del Dr. Arratia está conformado por ocho académicos de la Universidad Andrés Bello, cuatro investigadores postdoctorantes y quince estudiantes de Doctorado; juntos han logrado más de 270 publicaciones indexadas por ISI.

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Nanoscience applied to medicine

In recent years, scientific advances have focused on searching for new technological tools able to solve a wide range of problems efficiently, rapidly, and locally.

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In response to this need, the field of bionanotechnology is dedicated to the design and construction of highly specialized microscopic structures. These structures present modifiable properties that can be adjusted to specific objectives.

Research led by Dr. Ramiro Arratia-Pérez, Director for the Millennium Nucleus of Catalysis and Biosensor Molecular Engineering and for the Doctorate Program in Molecular Physicochemistry of the Faculty of Exact Sciences at the Universidad Andrés Bello, aims to design new molecules, clusters, and luminescent nanostructures based on the mineral resources of Chile.

“To build these structures, we apply molecular engineering concepts in computational simulations; the goal of this being to design biosensors applicable to a number of fields, such as in medicine, agrosciences, the textile industry, and even in some LED and OLED screens”, highlights Dr. Arratia-Pérez.

Dr. Arratia-Pérez further explains that, “our research is performed in direct and synergetic relationship with the area of molecular modeling, which is used as a predictive tool to design new nanostructures and molecules”.

One of the primary applications for these technologies is in the creation of new methods for detecting certain types of cancers. Once inside the patient, these luminescent molecules bind to cancerous tissue, and, using imaging techniques, it is possible to observe the illumination of these molecules. Therefore, these molecules act as markers of tumor masses.

Dr. Arratia-Pérez’s team includes eight researchers from the Universidad Andrés Bello, four post-doctorate fellows, and fifteen doctoral candidate students.

Together, this team has published more than 270 ISI-indexed manuscripts.

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Dr. José Manuel Pérez Donoso: La ventaja sustentable

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Para dar valor agregado a los productos minerales propios de Chile y generar tecnologías amigables con el medio ambiente y aplicables a la industria, el Dr. José Manuel Pérez-Donoso, académico de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Andrés Bello, lidera una investigación que plantea la utilización de microorganismos aislados de ambientes extremos del país para la producción de nanopartículas de litio y cobre.

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Es así como el docente e investigador del Centro de Bioinformática y Biología Integrativa de la UNAB, explica que el propósito de este proyecto es además explorar las distintas aplicaciones que podrían tener estas nuevas nanopartículas.

“En el caso del cobre, estamos investigando su posible uso como fotosensibilizadores en celdas solares, lo que permitiría desarrollar por primera vez este tipo de elementos en base a cobre y que, a la vez, tengan un origen biológico”.

La investigación del Dr. José Manuel Pérez-Donoso ha conseguido a la fecha logros trascendentales. Es así como se han aislado una serie de bacterias únicas a partir de muestras extraídas de expediciones a la Antártica y al Salar de Atacama.

“Estos organismos han presentado altos niveles de resistencia al cobre y litio, por lo que son capaces de sintetizar nanopartículas de estos metales”, agrega el académico.

Asimismo, el investigador del Centro de Bioinformática y Biología Integrativa expresa que estas bacterias aisladas pueden tener aplicaciones en la minería, con el fin de hacerla más sustentable. “Con estas bacterias estamos desarrollando métodos que permitan la descontaminación de soluciones que contengan cobre o cadmio, y que asociadas a la remediación de estos metales, permitan la generación de nanopartículas de cobre de alto valor”, manifiesta el académico.

Finalmente, el Dr. José Manuel Pérez-Donoso expresa que, a partir de la síntesis de nanopartículas de litio, se está evaluando su uso en la construcción de nuevas baterías recargables. “Este tipo de baterías constituyen una nueva generación de baterías recargables y esperamos poder incorporar en ellas nuestras nanopartículas, con el fin de aportar insumos producidos por medio de metodologías eco-amigables”.

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The advantage of sustainability

To provide added value to the mineral resources of Chile and to create environmentally friendly and at the same time industry applicable technologies, Dr. José Manuel Pérez-Donoso, researcher from the Center for Bioinformatics and Integrative Biology, Faculty of Biological Sciences at Universidad Andrés Bello, is leading research on the use of microorganisms isolated from extreme environments in Chile in the production of lithium and copper nanoparticles.

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Dr. Pérez-Donoso explains that an additional objective is to explore the distinct applications that these new nanoparticles could have. “In the case of copper, we are characterizing its possible use as a photosensitizer in solar cells. [If applied, this research will be the first to] develop solar cells from copper and with a biological origin”.

The research lead by Dr. José Manuel Pérez-Donoso has already achieved important advances. Specifically, a series of unique bacteria have been isolated from samples extracted during expeditions to Antarctica and the Atacama Salt Flats.

“These organisms are highly resistant to copper and lithium and are able to synthesize nanoparticles of these metals,” adds Dr. Pérez-Donoso.

Likewise, Dr. Pérez-Donoso states that these bacterial isolates could have applications in making the mining industry more sustainable. “With these bacteria, we are developing methods to decontaminate solutions with copper or cadmium. The remediation of these metals enables the generation of high-value copper nanoparticles”, continues Dr. Pérez-Donoso.

Finally, Dr. Pérez-Donoso is evaluating the application of synthesized lithium nanoparticles in rechargeable batteries. “These types of batteries represent the new generation of rechargeable batteries, and we hope to incorporate our nanoparticles [into their development] to promote ecofriendly batteries production.”

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