Resumen

La presión de radiación consiste en el intercambio de energía de la luz al interactuar con la materia. Si bien esto produce una fuerza sumamente débil, a escalas muy pequeñas aún se perciben. Las pinzas y trampas ópticas usan este principio para poder llevar a cabo el fenómeno conocido como atrapamiento óptico y así manipular partículas. Una pinza óptica no es lo mismo que una trampa óptica, se diferencian en que las pinzas se pueden mover con el objeto y las trampas sólo lo capturan, por lo que tienen diferentes aplicaciones en la investigación científica; en este artículo conoceremos acerca de estos instrumentos.
Palabras clave: pinzas ópticas, trampas ópticas, atrapamiento óptico, presión de radiación, óptica aplicada.

Optical Tweezers and Optical Traps: The Optical Entrapment Phenomenon

Abstract

Radiation pressure consists of the exchange of light energy when interacting with matter. Although this produces an extremely weak force, at very small scales it is still noticeable. Optical tweezers and traps use this principle to carry out the phenomenon known as optical entrapment, and thus manipulate particles. Optical tweezers are not the same as optical traps, they differ in that the tweezers can move with the object and the traps only capture it; therefor, they have different applications in scientific research; in this article we will learn about these instruments.
Keywords: optical tweezers, optical traps, optical entrapment, radiation pressure, applied optics.

Introducción

Actualmente tal vez sea demasiado tarde para aventurarse a explorar nuestro mundo, pero también demasiado temprano para explorar otros mundos. Sin embargo, con los conocimientos científicos existentes se ha podido experimentar y manipular los componentes más fundamentales del universo, llevándolos a límites nunca imaginados.

La tecnología actual nos ha permitido estudiar y controlar propiedades sumamente interesantes de la luz; por ejemplo, podemos manipular su trayectoria, usarla como medio de trasporte de información e incluso se ha logrado la fusión termonuclear. Entre otras aplicaciones, la luz se ha podido usar para manipular la materia a escalas diminutas. Esto se puede llevar a cabo mediante las trampas y pinzas ópticas, pero ¿cómo esto es posible?, ¿cuál es la diferencia entre ellas?, ¿es una mejor que la otra?

La presión de radiación

La luz es algo que se ha venido estudiando desde hace siglos. Existió cierta discusión en cuanto a si está formada por partículas o si es una onda. Grandes científicos defendieron ambas posturas, pero si había algo en lo que coincidían era en que la luz trasmitía energía. En la actualidad se sabe que la luz tiene las siguientes propiedades: presenta un comportamiento dual de onda y partícula, transmite energía y está formada por fotones (partículas o paquetes minúsculos de luz).

Los fotones son un caso muy interesante, pues carecen de masa, ya que son pura energía; sin embargo, sí cuentan con momento P, que es una cantidad física que indica la cantidad de movimiento de un objeto. Mientras más momento tenga un objeto, más difícil será detenerlo. El que los fotones cuenten con momento parece imposible si lo vemos desde el punto de vista de la mecánica clásica, a velocidades cotidianas, pues es bien conocido que el momento lineal o cantidad de movimiento de un objeto, se calcula con el producto de la masa con la velocidad (P = mv) (Serway, Jewett y Cervantes, 2015). Pero a velocidades muy altas, cercanas a la velocidad de la luz c (aproximadamente igual a 300 mil kilómetros por segundo), es necesario usar la teoría de la relatividad especial. Bajo esta teoría, el momento lineal obtiene un término relacionado a la energía del objeto y su ecuación se presenta de la siguiente manera:

Considerando que los fotones no cuentan con masa (Ford, Fredman y Young, 2018), el momento para una partícula de luz se representa por P = E / c, donde E es la energía del fotón y c la velocidad de la luz. Como se mencionó, la velocidad de la luz es aproximadamente 300 mil kilómetros por segundo, lo cual provoca que el momento de los fotones sea muy pequeño.

Así, cuando la luz interactúa con la materia, existe un intercambio de momento lineal, porque se refleja en el objeto en cuestión; entonces se experimenta una fuerza que podría desplazar el objeto en la dirección opuesta a la del impulso que recibe el haz; esto simplemente se refiere a la tercera ley de Newton, que indica que a toda acción le corresponde una reacción, y sucede cuando los fotones chocan y rebotan en alguna superficie. A este efecto de intercambio de momento por parte de la luz se le conoce como presión de radiación. Debido a la diminuta magnitud del momento, la presión de radiación también lo será. Un ejemplo de ello, pero a tamaño macroscópico, son las velas solares en el espacio exterior, que consisten en gigantescas superficies super ligeras, capaces de reflejar la mayor parte de la luz del sol y así moverse en el espacio (Cubillos, 2014). A tamaños extremadamente pequeños resulta que la presión de radiación es capaz de manipular los objetos, a través de lo que se conoce como el atrapamiento óptico.

El atrapamiento óptico

Para comprender el atrapamiento óptico primero hay que entender dos conceptos: la fuerza de esparcimiento y la fuerza gradiente. La primera hace referencia a la fuerza que actúa en la dirección de propagación de la luz y su magnitud es proporcional a la intensidad del haz incidente. La fuerza gradiente se presenta en la dirección de mayor intensidad de la luz, por lo que su magnitud es proporcional al gradiente de la intensidad, es decir, es proporcional a los cambios de la intensidad de la luz, correspondientes a la sección transversal del haz láser (Ritort, 2018; ver figura 1). Un solo láser no puede realizar el atrapamiento óptico porque la fuerza neta es muy débil y esparce las partículas a capturar. Para mejorar esto, se necesita focalizar un haz, así que se suele colocar un objetivo de microscopio, ya que mediante este sistema se consigue tener una serie de lentes capaces de generar el efecto deseado. Cabe destacar que el sistema debe poseer una apertura numérica1 útil para el trabajo. Así, el espécimen a mover debe colocarse a una distancia de separación de la lente, alrededor de la distancia focal.2 El evento no termina ahí, el espécimen a mover con la fuerza de la luz necesita poseer un índice de refracción3 adecuado, este debe ser mayor al del medio en el que se encuentran.

La variación de la intensidad de la luz en el foco produce la fuerza gradiente y permite compensar la fuerza de esparcimiento, de tal manera que se logra “agarrar” o atrapar a las partículas con luz (ver figura 2a). Sin embargo, la fuerza de gradiente puede ser muy débil y ahí es donde juega un papel importante el índice de refracción; ya que este nos indica qué tanto se puede desviar (refractar) la luz en diferentes medios; por lo cual, si el índice de refracción del espécimen es mayor al del medio donde se encuentra la luz que pasa por él, la luz se desviará más y eso aumentará la fuerza de esparcimiento (ver figura 1b).

Trampas y pinzas ópticas

En los años 70, Arthur Ashkin, en los Bell Labs (New Jersey), demostró experimentalmente la posibilidad de atrapar ópticamente partículas dieléctricas en aire o agua mediante los principios ya mencionados (Chu, 2020). Desde entonces, científicos de todo el mundo han contribuido al desarrollo de aparatos y técnicas con las cuales lograrlo. El resultado son las actuales pinzas y trampas ópticas, que aunque se sustentan en el mismo principio y en muchas ocasiones se usan como sinónimos, tienen sutiles diferencias.

Trampas ópticas

Las trampas ópticas se crearon primero, incluso en los primeros experimentos realizados por Arthur Ashkin —ganador de parte del premio Nobel de Física, 2018, precisamente por sus estudios en este campo— él ya las usaba (Ashkin, 2006). Los elementos esenciales para las trampas ópticas son: un láser de captura, un sistema para dirigir y expandir el láser, un objetivo de microscopio, una cámara digital y algunos medios para contener micropartículas (ver figuras 3 y 2a). Las trampas ópticas se construyen con mayor frecuencia modificando un microscopio invertido (ver figura 3), para que en él se pueda introducir un haz láser en la trayectoria óptica, por abajo del objetivo de microscopio. Aunque este es la manera más común de hacerlas, puede haber modificaciones dependiendo de lo que se espere estudiar con ellas (Neuman y Block, 2004).

En el concepto de trampa óptica, el sistema óptico que se elabora es fijo, el haz con el que se atrapan las micropartículas esta fijo, no se mueve; ahí, las partículas propiamente caen o son llevadas a esa “trampa de luz” (ver figura 2a). En muchos aspectos, esta configuración es muy útil, pues se pueden estudiar especímenes confinados en una región determinada.

Pinzas ópticas

Si lo que se busca es manipular o mover a una partícula, más que sólo confinarla en una región determinada, entonces, se recurre a las pinzas ópticas. Para esto se necesitan piezas adicionales como un control dinámico de la posición y dirección del láser. Con esto es posible transportar la partícula atrapada, de un punto a otro, lo cual es la diferencia sutil con una trampa óptica: la capacidad de mover un objeto en el espacio. El principio de operación de la pinza óptica se explica gráficamente en la figura 2b, lo cual se puede comparar con el principio de operación de una trampa óptica. Como ejemplo animado para comprender la diferencia de operación entre una trampa y una pinza óptica, se presenta el video 1.

Video 1. En los primeros segundos, se muestran los elementos básicos (láser, lente y micropartícula), para lograr el atrapamiento de una micropartícula. Se observa como al acercar una partícula hacia el haz enfocado, ésta queda atrapada por unos instantes (la trampa óptica). Inmediatamente después se mueve el sistema (laser-lente) por el espacio, y con ello nos encontramos con el concepto de pinza óptica; lo cual implica el movimiento de la micropartícula, en una región del espacio. Al final del video se detiene el movimiento del sistema, con lo cual regresamos al concepto de trampa óptica; y finalmente “apagamos el láser”; con lo cual vemos que la trampa óptica deja de operar y la micropartícula cae por gravedad (Lab. de Óptica Aplicada, Facultad de Física, uv, 2021).

Análisis de diferencias

A primera vista las pinzas ópticas parecen ser la mejor de las trampas ópticas, debido a su capacidad para moverse con lo atrapado. Pero en el campo de batalla de la investigación científica, se suelen usar ambas. Como un ejemplo real, logrado en laboratorio, sobre una aplicación simultánea de una trampa y una pinza, se presenta el video 2.

Video 2. Experimento en en laboratorio de atrapamiento óptico y pinzas ópticas. Al inicio se muestran a seis micropartículas de sílice (oxido de silicio) previamente atrapadas, empleando simultáneamente seis trampas individuales, bajo una configuración pentagonal, y con una de ellas en el centro. Alrededor de esa configuración se observan otras micropartículas que no se encuentran atrapadas, incluso se observa una de ellas muy cerca de la configuración. Después de ese inicio, en segundos posteriores, el conjunto de trampas se mueve simultáneamente en el espacio, incluso lo alejamos de aquella micropartícula no atrapada, con lo cual ahora nos encontramos con el concepto de pinza óptica, ya que estamos moviendo espacialmente a las seis micropartículas. Casi al final de esta breve demostración, se detiene el movimiento de traslación del conjunto de micropartículas, con lo cual dejamos el concepto de pinza óptica y volvemos al concepto de trampa óptica, en el cual, las micropartículas estas “ancladas” de nuevo en el espacio.

Las trampas ópticas permiten retener tanto a partículas inorgánicas (por ejemplo, microesferas de sílice), como a partículas orgánicas (por ejemplo, células y bacterias). En 1994 se logró demostrar que se podían atrapar nanopartículas metálicas con un láser especial. Pero también son útiles en situaciones en las que se busque el atrapamiento de átomos, esto porque con la pura presión de radiación ya es suficiente para desplazarlos. En este último caso, el experimento consistió en detectar átomos de Cesio-133, usando una trampa óptica para mantenerlos en una zona de enfriamiento (hasta congelarlos); después se hacían levitar con luz, para llevarlos a otra zona, donde al descongelarse obtenían más energía y así se podían estudiar el cambio en sus estados (López, et al., 2001). También se han construido trampas ópticas mediante técnicas de holografía computarizada, logrando actuar como un conjunto de trampas tridimensionales para objetos pequeños. Esto es muy útil para modelar la cristalización de partículas coloidales y, en general, para modificar las transiciones de fase y la dinámica de dichas dispersiones (Grier y Roichman, 2006).

En cambio, las pinzas ópticas han brillado en el campo de la biofísica. La manipulación de micromoléculas individuales con pinzas ópticas permite estudiar sus propiedades físicas y químicas, así como la función biológica en células. Se ha logrado manipular un motor molecular, y hasta desdoblar una cadena de adn (Ritort, 2018). Experimentos como los mencionados requieren de una extrema precisión. Solo la luz aplicada como herramienta para manipular objetos es capaz de realizar tal hazaña.

No se puede decir que un mecanismo es mejor que otro, que sea emplee una trampa o una pinza dependerá de la aplicación o estudio. El desarrollo de ambos conceptos ha logrado llevarnos a manipular moléculas, medir fuerzas y distancias en la escala nanométrica, entre muchas otras aplicaciones microscópicas. Aumentar la precisión que se tiene, al estudiar lo más fundamental de la naturaleza, nos permite ampliar nuestro conocimiento.

Referencias

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• Ford, A. L., Fredman, R., y Young, H. D. (2018). Física universitaria con física moderna 1. Pearson Educación.
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• Ritort, F. (2018). Pinzas ópticas y su aplicación a sistemas biológicos. Revista Española de Física, 32(4), 39-42. https://cutt.ly/7KZdjcb.
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Material de interés

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Recepción: 24/08/2021. Aprobación: 17/05/2022.

Resumen

El presente artículo habla de la biotecnología como un área creciente en el mundo moderno, y expone sus tendencias y perspectivas, pasadas y futuras. Esto con el objetivo de dar a conocer las nueve ramas de la biotecnología, que está presente desde la producción de más y mejores alimentos, hasta la creación de vacunas y fármacos. Lo anterior ha mejorado la salud de la población en general, e influye en su día a día, lo que en conjunto contribuye a moldear nuestro futuro.
Palabras clave: Biotecnología, medicina, alimentos, modificación genética, ciencia.

The Trends, Perspectives, Areas and Colors of the Biotecnology

Abstract

This article defines biotechnology as a growing area in the modern world, as well as exposing its past and future trends and perspectives. This, with the aim of making known the different nine branches of biotechnology, which is present from the production of more and better food to the creation of vaccines and drugs. This has improved the health of general population and has had an influence in their day-to-day life, which together contribute to shape our future.
Keywords: Biotechnology, medicine, food, genetic modification, science.

Introducción

En junio de 2003 se llevó a cabo, en Arlington, Virginia, una conferencia sobre biotecnología. La doctora Rita Colwell, directora de la National Science Foundation, dijo: “Si pudiésemos agitar una bandera de la biotecnología, dirían algunos, tendría tres colores: rojo para aplicaciones médicas, verde para agriculturales y blanco para industriales. De hecho, esta bandera podría presentar más colores a través del tiempo ya que la biotecnología ambiental y marina, y otras aplicaciones añaden sus tiras” (ver figura 1).

El relevo generacional será quien goce de las bondades de la biotecnología, pero será a su vez el encargado de llevarla a nuevos horizontes. En este documento se presentan nueve ramas de la biotecnología aplicada, mismas a las que se les ha asociado un color para una comprensión más sencilla.

La distribución y clasificación no es estática, ya que varía dependiendo del autor. Desde la metáfora de la doctora Colwell en 2003, se han hecho distintas clasificaciones. En 2005, en el 12° Congreso de Biotecnología Europea, ya se mencionaban cuatro colores: blanco, rojo, verde y azul (DaSilva, 2004). De manera más reciente, Kafarski (2012) propuso una clasificación con siete colores: verde, rojo, blanco, violeta, amarillo, azul y café. A continuación, se presentarán los distintos colores y a qué áreas de aplicación se han relacionado. Se tomaron en cuenta nueve, ya que ésta es la concepción más común de las áreas por distintos autores (Barcelos et al., 2018) (Kafarski, 2012), además de que facilita su estudio.

Blanca

Los productos y procesos industriales que se usan actualmente son, en el mejor de los casos, poco eficientes o generan alta la contaminación. La biotecnología blanca o industrial se enfoca al desarrollo de procesos y productos biotecnológicos de calidad, económicos y sustentables, a través de enzimas, microorganismos y plantas (cals; 2021; Biotechnology Innovation Organization [bio], 2021).

Un ejemplo del potencial de esta rama está encarnado en el coloso español Repsol. Empresa energética que cuenta con su propio equipo de investigación, el Repsol Technology Lab. Cerca de 230 expertos con más de 64 millones de euros detrás buscan, entre otros campos, el desarrollo de bioenergías, para así reducir el daño causado por las fuentes energéticas de hoy día.

Gris

La biorremediación, parte de la biotecnología gris, se define como el uso de organismos vivos para capturar, remover y degradar, con el objetivo de detoxificar el medio ambiente. Áreas como el cometabolismo, el cual se describe como la transformación de un compuesto (pudiendo ser hidrocarburos) necesitando otros sustratos para degradarse (García, 2008); La cinética de biotransformación, mostrando como un compuesto químico dañino puede ser degradado por un microorganismo (Universidad de Granada, 2022). El biotratamiento permitiendo la transformación de distintos químicos en elementos y materiales inocuos para la salud (Dinámica ambiental, 2022) y; la modelación biogeoquímica que indica cómo el medio natural reacciona ante elementos químicos (Sánchez, 2020) son áreas que están siendo investigadas actualmente con el objetivo de lograr solucionar problemas ambientales.

Figura 2. Recolección de muestras (Vidal et al., 2022)

Un estudio publicado en la revista npj Biofilms and Microbiomes encontró la presencia de cepas de bacterias capaces de degradar hidrocarburos en los depósitos de combustibles de autos (Vidal et al., 2022). Sin duda, de poder hacer uso de éstos, o versiones genéticamente mejoradas, podríamos utilizarlos para limpiar derrames de petróleo se reduciría el nivel de polución causada por los combustibles fósiles.

Sin embargo, su liberación podría representar un riesgo a la bioseguridad, a partir de mecanismos como la transferencia horizontal de genes (transferencia de material genética de una especie a otra, sin ser descendiente de la primera). Ello conlleva a la transformación indeseada de organismos o incluso la pérdida de la variedad genética en el ambiente.

Violeta

La bioseguridad, o biotecnología violeta, se puede describir como los mecanismos y protocolos para establecer y mantener seguridad sobre distintos elementos peligrosos. Microorganismos, patógenos, toxinas y recursos relevantes de un laboratorio tienen que ser protegidos y regulados; debe de existir contabilidad de material y reactivos, para prevenir cualquier acceso no autorizado, pérdida o liberación (Kumar, 2015).

Existen debates, conferencias y consejos de bioseguridad con el objetivo de evitar problemas. Uno de ellos, por ejemplo, sería el bioterrorismo, que busca usar organismos infecciosos, toxinas, virus, hongos o agentes biológicas para atacar a las personas, animales o plantas (Poste, 2002). Podría sonar aburrido pasar el día aprobando leyes y normativas, pero es una de las áreas más nobles de la biotecnología. No implica sólo prevenir cualquier uso negativo de dicho conocimiento, también consiste en regular patentes y registros de propiedad intelectual.

Azul

En 2020 tuvo lugar, en Bogotá, la Conversación en el marco de la Semana de la Biotecnología azul. En ella, Vaneza Paola Lorett Velásquez definió a la biotecnología azul, o marina, como “las aplicaciones de la biotecnología cuya fuente es la amplia biodiversidad de organismos marinos y sus derivados, empleando métodos moleculares y biológicos” (Banrepcultural, 2021; ver video 1).

Video 1. Conferencia “¿Qué es la biotecnología azul? ¿Para qué sirve?” de la especialista Vaneza Paola Lorett Velásquez (Banrepcultural, 2021).

El lecho marino es un espacio prístino, lleno de oportunidades que pocos se atreven a explotar. Una biofarmacéutica que sí lo hace es PharmaMar, nacida en 1986. Como su nombre deja en evidencia, toman inspiración de organismos marinos para el desarrollo de fármacos. Cuentan ya con 3 medicinas aprobadas para el tratamiento del cáncer: Trabectedina (Yondelis ®), Lurbinectedina (Zepzelca ®) y Plitidepsina (Aplidin ®). Las dos primeras cuentan con aprobación de la FDA mientras que la tercera tiene aprobación de la STA para su venta en Australia, Nueva Zelanda y varios países del sudeste asiático.

No obstante, son varios los desafíos por superar: accesibilidad (física y legal), sustentabilidad, entendimiento de especies marinas, métodos moleculares aplicables a ellas, infraestructura integrada, e iniciativas políticas que incentiven el desarrollo económico de la biotecnología marina por la industria (Allen y Jaspars, 2009). Aún con ello, es inspirador pensar que las respuestas a cualquier problema se podrían encontrar en el fondo de nuestros océanos.

Verde

La biotecnología agrícola o verde tiene tres principales objetivos. El primero es aumentar la resistencia de los cultivos a diferentes condiciones, disminuyendo así la cantidad de alimento que se pierde. El segundo es incrementar los contenidos nutricionales de los cultivos, para aumentar su calidad. El último es hacer que crezcan más rápido. Éstos tres objetivos buscan satisfacer las necesidades y falta de alimentos (Rivera, 2006).

Los retos para la biotecnología agrícola son muchos. Desde facilitar procesos de experimentación y aprobación para salir al mercado, hasta concebir más facilidades para el desarrollo de nuevos alimentos genéticamente modificados. Por si fuera poco, el miedo o fobia social hacia los organismos genéticamente modificados también tiene un impacto en su progreso (Altman, 1999; Kossman, 2012). Muchos países consideran la biotecnología agrícola como solución a algunos de sus problemas. Estados Unidos, por ejemplo, se halla cultivando grandes cantidades de algodón genéticamente modificado (ChileBio, 2021). Este no solo será usado para textiles, sino que sus semillas son comestibles. Ello ya que poseen bajas cantidades de gosipol, químico tóxico si se consume (Figura 3).

Figura 3. Semillas de algodón con gosipol (izquierda) y semilla de algodón modificado con poco gosipol (derecha).
https://cutt.ly/vKQ9QqP

Amarilla

La biotecnología amarilla puede definirse como el uso de organismos vivos, o partes de ellos, para producir comida o productos alimenticios, desarrollar procesos y proveer servicios (Falk et al., 2002). Un ejemplo sería el proceso necesario para obtener queso (ver video 2).

Video 2. ¿Por qué el queso parmesano es tan caro? Y otros datos curiosos sobre el queso. (GENIAL, 2019).

La primera vez en que la palabra biotecnología fue usada puede ser rastreada con un par de búsquedas bibliográficas; en cambio, datar el origen de la biotecnología amarilla no es tarea fácil. Los humanos siempre han necesitado aumentar sus fuentes alimenticias.

Año con año crece la demanda alimenticia y junto a ella las barreras que suponen satisfacer dicha demanda. Los factores, tanto bióticos como abióticos, que retrasan el avance pueden ser minimizados gracias a esta rama de la biotecnología. Por ejemplo, la primera hamburguesa hecha con carne in vitro fue cocinada y degustada en una conferencia de noticias en Londres en el año 2013. Los críticos culinarios que tuvieron la fortuna de degustarla afirmaron que sabía exactamente igual que cualquier otra hamburguesa. Seca, pero completamente disfrutable.

Dorada

Comprende a la bioinformática y a la nanobiotecnología. Se entiende a la bioinformática como el uso de la informática para procesar grandes cúmulos de información, de forma rápida y entendible. La nanobiotecnología, por otro lado, se encarga de organismos pequeños, en escala nanométrica (10-9), y materiales usados para la industria (Steiner, 2020). Puede resultar fantasiosa la idea de que dos áreas que, a primera vista, pertenecen a mundos distintos puedan dar origen a toda una rama de la biotecnología. Pero no es así.

La información que se obtiene de organismos vivos es abrumadora. La secuencia de nucleótidos de una persona puede ocupar hasta 300 terabytes. Doblar una pequeña proteína le tomaría seis meses a una computadora de 1 petaflop (1000 billones de operaciones matemáticas por segundo) (Butte, 2001). Afortunadamente ha habido avances en el campo. La computadora más poderosa conocida, la supercomputadora Fugaku, cuenta con una capacidad de 442,010 teraflops (442,010 billones de operaciones matemáticas por segundos). Hace 20 años la computadora más poderosa tan sólo poseía 12 teraflops de capacidad.

Video 3. Bioinformática para la genómica y proteómica, explicado por Juan Carlos Oliveros (CNB–CSIC, 2017).

Roja

Padecer de una enfermedad causada por bacterias, virus, hongos o toxinas en el siglo xv, cuando se tenía una esperanza de vida de 30 años, era una sentencia de muerte (@Alvy, 2007). El desarrollo de la ciencia, específicamente el de la biotecnología médica o roja, ha logrado que la esperanza de vida aumente hasta a más de 70 años hoy (onu, 2019). Esta área se describe como la rama de la medicina que usa células con el objetivo de investigar, producir y diagnosticar, y que está enfocada en la salud humana.

El futuro de la biotecnología médica es muy prometedor. Con los avances de la ingeniería genética, terapia génica y biología sintética se podrán desarrollar mejores diagnósticos moleculares y tratamientos de enfermedades congénitas (Evora, 2018). Uno de los avances más notables es la capacidad de producir insulina en biorreactores. Antes, se extraía del riñón de cerdos, con lo cual se sacrificaban muchísimos de estos animales para la obtención del agente. Además, gracias a la ingeniería genética se han logrado producir vacunas, factores de coagulación y antibióticos, de manera rápida y eficiente (Biolyse, 2021).

Café

Tomando como base las plantas genéticamente modificadas, la biotecnología café se encarga de la investigación en plantas resistentes a sequías (Steiner, 2020). Hoy en día, esta área ha dado un vistazo a cómo se verán los métodos para aminorar los estragos del calentamiento global.

Uno de los sujetos de estudio prometedores de esta área son las plantas “de resurrección”, por ejemplo, la Rosa de Jaricó (ver video 4). Ellas cuentan con un mecanismo curioso: aparentan estar secas la mayor parte del tiempo, pero “reviven” en cuanto reciben un poco de agua en muy poco tiempo. Un equipo de investigadores de la Universidad de Cape Town se ha encargado de estudiar dicho mecanismo, buscando replicarlo en otro tipo de cultivos (Farrant, 2000).

Video 4. Life cycle, Rose of Jericho resurrection plant time lapse (Neil Bromhall, 2013).

Conclusión

Se mencionaron las nueve áreas de la biotecnología: blanca (industrial), gris (ambiental), violeta (bioseguridad), azul (marina), verde (agrícola), amarilla (alimentos), dorada (bioinformática), roja (médica) y café (suelo). La biotecnología roja, por ejemplo, ha sido capaz de aumentar el promedio de vida a nivel global, así como desarrollar métodos alternos para la producción de fármacos. Por otro lado, la biotecnología dorada brinda formas sencillas y eficaces de manejar la enorme cantidad de datos con los que se cuentan de distintos organismos.

Todas y cada una de esas áreas se enfrentan a diversos retos, y es gracias al deseo de superarlos que en los últimos años su visibilidad ha ido en aumento. No hay un área más importante que otra, y el hecho de interesarse más por una no implica cerrarse sólo a ella. Aunque la biotecnología pareciera la clave para resolver todos los problemas mundiales, todavía se requiere una gran cantidad de científicos jóvenes y motivados que desarrollen estas áreas, para generar empresas y grandes investigaciones de por medio.

Referencias

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Recepción: 18/08/2021. Aprobación: 17/05/2022.

Resumen

Ese artículo tiene por objetivo describir dispositivos empleados como apoyo para las personas que viven con discapacidad visual. Para ello, se describen primero datos importantes sobre la definición de discapacidad, información relacionada con la discapacidad visual en el mundo y en México, así como su definición y características descritas por la Organización Mundial de la Salud. Posteriormente, se da a conocer una clasificación de los dispositivos auxiliares para la discapacidad visual: auxiliares para el desplazamiento, para el reconocimiento y especializados.
Palabras clave: discapacidad visual, ceguera total, ceguera legal, dispositivos auxiliares.

Assistive Devices for Visually Impaired

Abstract

The aim of this paper is to describe devices used as support for visually impaired people. In order to do this, we describe important data on the definition of disability, information related to visual disability in the world and in Mexico, as well as its definition and characteristics described by the World Health Organization. Subsequently, a classification of auxiliary devices for visual impairment is depicted: auxiliary devices for displacement, for recognition and specialized.
Keywords: visual impairment, total blindness, legal blindness, auxiliary devices.

Discapacidad

Desde tiempos antiguos, se tienen datos sobre la existencia de personas con discapacidad. De acuerdo con la Organización Panamericana de la Salud, se trata de individuos que viven con alguna limitante física, mental, intelectual o sensorial, que puede frenar y/o disminuir su participación e interacción en la sociedad (Organización Panamericana de la Salud [ops], s.f.).

En la Clasificación Internacional del Funcionamiento y la Discapacidad (ciddm-2) se incluye todos los aspectos funcionales y de discapacidad del ser humano asociados con los estados de salud. En estas definiciones, las deficiencias son atribuidas a cambios en las estructuras anatómicas que resultan en una disminución significativa o incluso en una pérdida de la función (who, 1999).

La Organización Mundial de la Salud (oms) indica que en el mundo viven 153 millones de personas con discapacidad visual (who, 2021). En México, según el Atlas de visión de la Agencia Internacional para la Prevención de la Ceguera (iapb, por sus siglas en inglés), se estimó que en 2020 había 16 millones de personas con pérdida de visión, de las cuales 540,000 eran ciegas (iapb, 2020). De acuerdo con los datos publicados por el inegi, de las cinco principales causas de discapacidad en nuestro país, la segunda más común es la visual, más de 50% de la población tiene problemas con la visión, lo que podría terminar en ceguera. Dichos impedimentos visuales tienen un gran costo global anual, sin omitir el efecto económico que ésta o alguna otra discapacidad tiene para las familias en las que algún miembro vive con ellas.

Discapacidad visual

La discapacidad visual ha sido definida por diferentes organismos, entre los que se encuentra la Clasificación Estadística Internacional de Enfermedades y Problemas Relacionados a la Salud (icd) —cuya décima revisión se realizó en 2019 (icd-10-who, 2019)— y la oms. La oms clasifica la discapacidad visual en cinco niveles, considerando la cantidad de visión de una persona —agudeza visual—, y la amplitud del espacio dentro del cual una persona puede percibir imágenes —campo visual—. Las características de estos niveles y sus nombres se muestran en la tabla 1, y se definen al evaluar la agudeza visual con el uso de alguna ayuda óptica, con uno o ambos ojos abiertos (icd-10-who, 2019). En la figura 1, se ilustra el campo visual normal en grados.

Figura 1. Campo visual de una persona con visión normal.
Elaboración propia.

Ciego legal ≠ ciego total

El concepto de ciego legal se refiere a una persona que sus ojos perciben la luz e imágenes, pero que su medida de cantidad visual es tan baja que se ve imposibilitado para la realización de tareas cotidianas. Un ciego legal puede ver a 20 metros lo que una persona normal ve a 200 metros; debido a esto le es necesario acercarse más a los objetos para poder mirarlos. Esta medida de agudeza visual se define como 20/200 y cualquier persona que, con ayudas ópticas, llámense anteojos, lentes de contacto, entre otros, tenga una medida de visión igual o inferior a ésta, se considera un ciego legal. Entonces, un ciego legal tiene una gran pérdida visual, pero percibe luz (discapacidad grado 2 al 4). Por el contrario, un ciego total no percibe ni luz ni formas (discapacidad grado 5), y presenta pérdida total de la agudeza visual y del campo visual (ipacedevi, s.f.). En la figura 2, se muestran ejemplos de cómo diferentes padecimientos oculares afectan la agudeza y el campo de visual de una persona.

Dispositivos auxiliares para la discapacidad visual

A continuación, se propone una categorización de dispositivos empleados como auxiliares para personas con discapacidad visual. Ésta se basa en las necesidades que cubren, sin implicar que un aparato no pueda entrar en dos categorías.

Dispositivos auxiliares para el desplazamiento. Ayudan a la persona a conocer su orientación, a identificar obstáculos y/o la ruta a seguir u otras necesidades relativas al desplazamiento (Nicolau et al., 2009). Las más utilizadas son el bastón blanco y el perro guía. Su principal función es evitar colisionar con otros objetos o evitar caer en desniveles o agujeros.

El bastón funciona como una extensión de un dedo con el cual se puede palpar el alrededor, presenta la ventaja de que no sólo avisa al usuario si hay algún obstáculo como una pared frente a él, sino que también lo detiene (el perro guía lo logra gracias a un entrenamiento que tiene con el usuario). Estas dos herramientas se enfocan en mantener a la persona segura mientras se desplaza. Adicionalmente, el bastón puede ser usado como: un artefacto de defensa, para ayudar a identificar a una persona ciega que pueda requerir atención, o bien para aferrarse a algo.

Existen otros aparatos que funcionan en conjunto al bastón blanco o el perro guía, que buscan solucionar otros problemas, tales como la identificación de obstáculos al nivel de la cabeza que pueden causar accidentes graves. Entre ellos se tiene:

• Pulsera con sensores y una aplicación móvil (Alabi y Stephen, 2020; ver figura 3).
• Mango para bastón con sensor o WeWalk Smart Cane (ver figura 3).
• Sensor ultrasónico portátil en la ropa BuzzClip.

Figura 3. A la izquierda se observa la pulsera con sensor; a la derecha, el mango de bastón.
Elaboración propia.

Dispositivos de reconocimiento. Ayudan para identificar rostros, colores, denominación de billetes, entre otros. La mayoría de las aplicaciones para celular entran en esta categoría (Buzo Sozim et al., 2017), Un ejemplo es Be My Eyes, que permite asistir a una persona por videollamada de forma voluntaria. En la figura 4 se ilustra a una persona solicitando asistencia a través de la aplicación de celular.

Figura 4. Persona ciega o débil visual solicita ayuda a un voluntario a través de una aplicación.
Elaboración propia.

Dispositivos especializados. Cumplen propósitos más específicos, entre los que se pueden mencionar: dar la hora, desplegar alarmas, aditamentos para utensilios de cocina, pantallas táctiles y materiales educativos. Ejemplos de estos dispositivos son las etiquetas en braille (Frey et al), lectores de pantalla y/o texto de manera audible (Waisbourd et al., 2015; Lopes Brezolin et al., 2017; ver figura 5), que se colocan sobre cualquier anteojo, enciclopedias digitales, y aplicación para teléfono con pantalla táctil para escribir en braille.

Figura 5. Sistema OrCam que puede leer cualquier texto en voz alta (Ylip, 2018).

Palabras finales

Se puede afirmar que la discapacidad visual se da cuando a pesar de utilizar algún tipo de ayuda visual (lentes o gafas), nuestros ojos no logran captar toda la información visual necesaria para llevar a cabo actividades de aprendizaje, laborales o alguna otra de la vida cotidiana. Además, considerando lo descrito en este artículo, el término ceguera está contenido dentro de la definición de discapacidad visual.

Es importante que, de acuerdo con la magnitud de la pérdida visual y las necesidades de la persona con disminución visual, ella seleccione los dispositivos auxiliares que puedan contribuir a la mejora de su desarrollo. Esto es debido a que, por ejemplo, los dispositivos auxiliares para el desplazamiento son mayormente útiles para el caso de ciegos legales y/o totales, o bien para quienes tienen alguna reducción de su campo visual secundario a algún daño ocular.

Finalmente, es posible decir que, aunque actualmente existen distintos tipos de apoyo para personas con algún grado de pérdida visual, es probable que se requiera el uso de más de una herramienta a fin de asemejar con mayor precisión las funciones de un ojo sano.

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Recepción: 11/05/2021. Aprobación: 28/07/2022.

Resumen

El aguacate es un fruto altamente consumido en México, cuya composición nutrimental de ácidos grasos monoinsaturados, vitaminas, antioxidantes y fibra tienen efectos protectores en personas que viven con obesidad. Diversos estudios han demostrado que el consumo constante de aguacate contribuye al aumento de la cantidad y diversidad de microorganismos benéficos en la microbiota intestinal, lo que auxilia en el control de los niveles de grasa elevados en sangre o dislipidemias, reduciendo los niveles de colesterol total y triglicéridos elevados. Lo anterior contribuye a tener niveles elevados de colesterol hdl (mejor conocido como “colesterol bueno”) y niveles bajos de ldl (conocido como “colesterol malo”); así como a obtener marcadores controlados de insulina y glucosa. Sin embargo, los efectos protectores que proporciona el aguacate en personas que viven con obesidad sólo se ven reflejados cuando el consumo de este fruto es constante.
Palabras clave: aguacate, obesidad, genes, lípidos, microbiota.

Avocado: an allied protector against obesity

Abstract

Avocado is a highly consumed fruit in Mexico, whose nutritional composition of monounsaturated fatty acids, vitamins, antioxidants and fiber have protective effects in people living with obesity. Various studies have shown that the constant consumption of avocado contributes to an increase in the number and diversity of beneficial microorganisms in the intestinal microbiota, which helps control high levels of fat in the blood or dyslipidemia, reducing total cholesterol levels and elevated triglycerides. This contributes to high levels of hdl cholesterol (known as “good cholesterol”) and low levels of ldl (“bad cholesterol”); as well as to obtain controlled insulin and glucose markers. However, the protective effects that avocado provides in people living with obesity are only reflected when the consumption of this fruit is constant.
Keywords: avocado, obesity, genes, lipids, microbiota.

Introducción

El aguacate es un alimento originario de América tropical donde está incluido México; es altamente consumido a nivel nacional, por lo que forma parte importante de la economía del país. Según la Procuraduría Federal del Consumidor (profeco), el consumo anual de aguacate por habitante en México es de 8.1 kilogramos, lo cual es una cantidad importante si lo visualizamos con la población total actual (2021). Este alimento, además de su sabor especial y su versatilidad en la gastronomía, trae beneficios con el sencillo hecho de consumirlo y esto es gracias a su contenido nutrimental. Por ello, el objetivo de este artículo de divulgación es proporcionar información con respaldo científico, que permita desmitificar el consumo de aguacate y posicionarlo como un alimento aliado protector en la obesidad.

¿Qué es lo que diferencia al aguacate de otras frutas? Comencemos diciendo que el aguacate es un fruto perteneciente a la familia de las Lauráceas. En el Sistema Mexicano de Alimentos Equivalentes (Pérez Lizaur et al., 2019), donde se realiza la clasificación de los alimentos de acuerdo a su aporte nutrimental, se ubica dentro del grupo de aceites y grasas sin proteína, esto gracias a su abundante contenido de lípidos (grasas), el cual varía entre 10% y 30% de su pulpa, dependiendo de la variedad y la estacionalidad (Vivero et al., 2019). Dentro de este porcentaje, su composición corresponde en 66-72% a ácidos grasos monoinsaturados, los cuales son considerados como grasas saludables en comparación con otro tipo de ácidos grasos (trans y saturados). El ácido oleico es el de mayor abundancia, pues se encuentra en una cantidad aproximada de 70-74 g por 100 g de aguacate, de manera que, si consumimos un aguacate mediano completo, se puede asegurar la ingesta de esta cantidad de ácidos grasos monoinsaturados (Vivero et al., 2019; Pérez Lizaur et al., 2019).

Por su contenido nutrimental, el aguacate es también considerado una muy buena fuente de antioxidantes, y es que, al ser un alimento rico en grasa, facilita el transporte y almacenamiento de vitaminas liposolubles presentes en este fruto (vitaminas A, E, K). Además, contiene vitaminas hidrosolubles (vitamina C, niacina, folato, piridoxina, riboflavina y ácido pantoténico) (Vivero et al., 2019).

Es por lo anterior que el aguacate ha sido objeto de estudio en investigaciones de diversas enfermedades. Entre ellas está la obesidad, que es definida y caracterizada por un exceso de tejido adiposo o graso. Este exceso es ocasionado por un aumento de tamaño de los adipocitos, los cuales son las células que se encargan de producir grasa, la cual normalmente se presenta en conjunto con la disminución de la saciedad. No obstante, el tejido adiposo tiene funciones metabólicas importantes dentro del organismo, tales como: almacenar y utilizar la energía que se obtiene a través de los alimentos, ayudar en la regulación de la temperatura corporal, y en el metabolismo de lípidos y glucosa (obtención de energía a partir de grasas y glucosa), modular la función hormonal y reproductiva, así como regularizar la presión arterial (Izaola et al., 2015).

En México, para 2018, el porcentaje de adultos con obesidad era de 36.1% de la población total (Secretaría de Salud, Instituto Nacional de Salud Pública [insp], e Instituto Nacional de Estadística y Geografía [inegi], 2018). El desarrollo de la obesidad es multifactorial, es decir que tiene muchas causas, una de ellas es la carga genética que interactúa con factores ambientales (Izaola et al., 2015), tales como estilos de vida poco saludables en relación con una alimentación rica en grasas saturadas, alta en hidratos de carbono simples (azúcares), así como un bajo nivel de actividad física (Muñoz-Pérez et al., 2021). Además, el presentar obesidad, implica cambios a nivel de la expresión genética, que significan un riesgo mayor a desarrollar otras enfermedades crónicas degenerativas, como la diabetes mellitus tipo 2 y enfermedades cardiovasculares (Izaola et al., 2015), entre ellas la aterosclerosis, caracterizada por la acumulación de placas de grasa en las arterias. Cuando se desarrolla la aterosclerosis, ocurren cambios en las células y genes, por ejemplo, en la degradación del colesterol ldl, pasa a ser ldl oxidada (ldl ox), esta modificación produce la acumulación de ldl ox en las arterias y esto induce la expresión de muchos genes proinflamatorios, es decir, genes que promueven el desarrollo de tumores y/o enfermedades crónicas degenerativas (obesidad, sobrepeso, diabetes mellitus, etcétera) (Wang, 2015).

Algunos de los factores en los que se ha encontrado evidencia científica de los beneficios del consumo de aguacate en personas con obesidad son: microbiota intestinal (microorganismos que habitan en el intestino), concentración de lípidos en sangre, y la respuesta a la insulina. Sobre esta última se enfocará este artículo.

Para comenzar a desarrollar estos temas, es necesario hablar de la microbiota intestinal, pues varias investigaciones han relacionado la diversidad y la cantidad de algunos microorganismos con el desarrollo de la obesidad. La microbiota intestinal tiene relevancia en la salud, ya que aumenta la superficie de absorción, acelera el tránsito intestinal, participa en la digestión y obtención de energía mediante la descomposición de los nutrimentos obtenidos de la dieta, participa en la síntesis de vitaminas como la vitamina K, cobalamina (B12), biotina (B7 y B8), ácido fólico (B9) y ácido pantoténico (B5) en el organismo, así como favorece la absorción de algunos minerales como el calcio, fósforo, etcétera (Tinahones, 2017).

Aguacate y microbiota en obesidad

Se le llama microbiota intestinal a la comunidad de microorganismos vivos reunidos de manera permanente en el tracto gastrointestinal y el microbioma intestinal incluye también a su material genético (Tinahones, 2017). En un estudio elaborado por Thompson et. al. (2020), se realizó una intervención dietética en 163 participantes, quienes se dividieron en dos grupos al azar. Al primer grupo se le administró una comida isocalórica1 al día, en la que recibieron una porción diaria de aguacate Hass fresco (175g, hombres; 140g, mujeres) durante 12 semanas; al segundo grupo no se le administró ningún tipo de dieta, solo su alimentación común (grupo control). Los ingredientes de la comida fueron similares en más de 90% entre ambos grupos. En los resultados del estudio no se obtuvo una diferencia significativa en la disminución de peso, pero los participantes del grupo de consumo de aguacate tuvieron una mayor ingesta de mufa o ácidos grasos monoinsaturados, fibra dietética total, insoluble, soluble y pectina, la cual es un tipo de fibra que incrementa la saciedad y tienen efectos benéficos en la salud como el contribuir a la regulación de la glucosa en sangre, colesterol y la presión arterial. En este mismo grupo se presentó un aumento de 26 a 65% en la diversidad de microorganismos benéficos como las bacterias Faecalibacterium, Lachnospira y Alistipes. Las primeras dos son capaces de fermentar la fibra y tienen relevancia en la producción de butirato, un ácido graso de cadena corta que tiene efecto antiinflamatorio, que puede inhibir la proliferación de cáncer y diabetes mellitus (Ferreira et al., 2017). Alistipes es un microorganismo que ha presentado efectos protectores contra algunas enfermedades, como la fibrosis hepática, la colitis y las enfermedades cardiovasculares (Parker et al., 2020).

Consumo de aguacate y lípidos en sangre

Las dislipidemias son un conjunto de enfermedades resultantes de concentraciones anormales de colesterol, triglicéridos, colesterol-hdl y colesterol-ldl en sangre, que participan como factores de riesgo en la enfermedad cardiovascular (Torres Arreola y Medina Chávez, 2016). Por ende, la dislipidemia está asociada con la obesidad, presentándose entre los adultos con obesidad una combinación de colesterol total (tc) y triglicéridos (tg) elevados y disminución de las concentraciones de colesterol de lipoproteínas de alta densidad (hdl). Es por esto que se deberían de desarrollar estrategias para reducir y prevenir una mayor disfunción metabólica en estos individuos.

En ese sentido, se ha encontrado que el aguacate contiene ácidos grasos monoinsaturados y que además es rico en fibra dietética, por lo que ayuda a mejorar las concentraciones de lípidos en la sangre. Sin embargo, su eficiencia depende del perfil genético de cada individuo. Ejemplo de lo anterior, en un estudio realizado en un grupo de adultos de entre 25 a 45 años de edad, con sobrepeso u obesidad. A la mitad de este grupo se le incluyó aguacate Hass como parte de sus comidas por doce semanas, no sin antes medir las concentraciones séricas de lípidos, así como de extraer adn de una muestra sanguínea. Al evaluar las concentraciones sanguíneas, se encontraron algunos resultados significativos en los participantes que consumieron aguacate: hubo a quienes se les redujo la concentración de colesterol total y a quienes les incrementó el colesterol hdl, esto debido a la gran diversidad en sus genotipos (información genética). Así, estos análisis exploratorios indicaban que el consumo de aguacate puede ayudar a controlar la dislipidemia en adultos con sobrepeso u obesidad, sin embargo, la efectividad podía diferir según el perfil genético (Hannon et al., 2020).

Aguacate y colesterol LDL en la obesidad

Las lipoproteínas son proteínas encargadas de transportar lípidos (grasas) en nuestro organismo por el torrente sanguíneo. Las hay de muy baja, baja y alta densidad. Las que resultan perjudiciales en concentraciones altas son las de baja densidad (ldl), pues contienen más grasas y menos proteína que las de alta densidad (hdl, colesterol “bueno”) (ver figura 1).

Figura 1. Clasificación de lipoproteínas según su densidad.
Crédito: elaboración propia.

El colesterol ldl (lipoproteínas ldl), que conocemos comúnmente como el “colesterol malo”, suele encontrarse en niveles altos en aquellas personas que viven con obesidad. Una consecuencia de ello resulta en riesgo cardiovascular, es decir, que su concentración elevada en sangre está vinculado a un alto riesgo a presentar enfermedades cardíacas que se manifiestan mediante los vasos sanguíneos, como la aterosclerosis. Es por ello que uno de los objetivos para reducir el riesgo de esta enfermedad es disminuir la concentración de colesterol ldl en sangre.

Cuando las lipoproteínas ldl se oxidan, pasan a ser ldl ox y son captadas por los macrófagos (células destructoras del sistema inmune). Con este proceso ocurre una acumulación de colesterol y formación de células espumosas (Wang et al., 2020), importantes en la acumulación de grasa en las arterias (aterosclerosis) (ver figura 2). Además, la ldlox puede inducir la activación de células endoteliales (en la capa interna de los vasos sanguíneos) y la expresión de genes proinflamatorios.

Figura 2. Desarrollo de aterosclerosis.
Crédito: elaboración propia.

En una investigación en la que participaron personas con obesidad, se estudiaron los efectos de una dieta que incluía el consumo de un aguacate al día, en comparación con otras dietas moderadas y bajas en grasas, durante cinco semanas (Wang et al., 2020). Los resultados arrojaron una mayor reducción no sólo de ldl, sino también de ldl ox en sangre de aquellas personas cuya dieta incluyó un aguacate al día, en comparación con las otras dietas. Además, sólo esta dieta con aguacate aumentó la luteína plasmática (antioxidante proveniente de la vitamina A), así como la concentración de colesterol o lipoproteínas hdl. Estos resultados se le pueden atribuir a las propiedades del aguacate: rico en polifenoles (antioxidantes) solubles en grasa, vitaminas antioxidantes, fibra, fitoesteroles y otros bioactivos que también pueden contribuir a la reducción de ldl ox. Sin embargo, en este estudio no se encontraron diferencias significativas entre el consumo de aguacate y la expresión de genes proinflamatorios.

En otra investigación desarrollada por los mismos autores, también en personas con obesidad, se implementaron tres tipos de dietas bajas en grasa, con el objetivo de reducir los niveles de colesterol en sangre. Una de estas dietas incluyó un aguacate al día durante cinco semanas. A diferencia de las otras dos dietas bajas en grasas, se pudo observar un cambio significativo en la reducción de ldl en sangre desde el inicio en la dieta que incluyó al aguacate (Wang, et al., 2015). Además, sólo esta dieta redujo significativamente la cantidad de lipoproteínas ldl pequeñas, que son las que más fácil se adhieren a las arterias. Al igual que en el estudio anterior, en este también se encontró un aumento de colesterol hdl (Wang, et al., 2015).

Consumo de aguacate y respuesta a la insulina

El consumo de alimentos ricos en grasas ha sido un tema de interés en la salud, en especial con el objetivo de cuidar el consumo de grasas saturadas. No obstante, es necesario mantener en mente que existen fuentes de alimentos ricos en ácidos grasos monoinsaturados, los cuales tienen una función protectora, brindan beneficio a la salud cardiovascular y ayudan a mejorar la respuesta de la insulina en el cuerpo; es decir, mejoran la actividad de la hormona que se encarga de que la glucosa entre a las células para hacerla aprovechable en nuestro cuerpo y generar energía (Park et al., 2018).

Un ejemplo de este tipo de alimentos es el aguacate. La Asociación Americana de Diabetes realizó un estudio en 12 mujeres adultas con una dieta en la que se les incluyó el consumo de aguacate y en los resultados se observó que la glucosa en sangre mejoró, así como la respuesta a la insulina (Lerman-Garber I., et al., 1994).

En otro estudio que se realizó en 15 hombres y 16 mujeres de 25 a 60 años de edad, a los participantes se les dividió en un grupo control y otro con un aguacate completo en su dieta. Para este segundo grupo se les dio un plan de alimentación con aguacate en dos tiempos de comida, para observar qué cambios había en sus concentraciones de glucosa e insulina. Se observó que en las comidas que contenían de la mitad del aguacate a la porción completa, se disminuyó de manera importante los niveles de glucosa e insulina después de 6 horas, a comparación de los que comieron la comida control (sin aguacate) (ver figura 3). Por lo que estos resultados muestran otros beneficios de incorporar el aguacate a la dieta, ya que además de aportar ácidos grasos y fibra, su consumo ayuda en mejorar los marcadores de glucosa e insulina. Lo anterior podría representar beneficios cardio-metabólicos y prevención de desarrollo de diabetes (Park et al., 2018).

Conclusión

La obesidad es una afección de salud creciente entre la población mexicana, pues representa un riesgo mayor en el desarrollo de otras patologías, que pueden complicar aún más el estado nutrición y de salud de las personas que la presentan.

En este texto hablamos del aguacate, un fruto mexicano cuyo consumo tiene efectos benéficos en la microbiota intestinal. Por un lado, aumenta la diversidad de microorganismos benéficos de la microbiota intestinal, lo que se traduce en la mejora de la digestión y absorción de los alimentos. Asimismo, incrementa la cantidad de microorganismos capaces de generar un efecto antiinflamatorio; por lo que consumir aguacate tendría un efecto potenciador del sistema inmunológico, y contra enfermedades como el cáncer y colitis.

Otro de los efectos protectores que ofrece el aguacate es contra el desarrollo de enfermedades cardiovasculares como la aterosclerosis. Gracias a sus compuestos bioactivos, reduce la oxidación de colesterol ldl, lo que disminuye el riesgo a que las moléculas de ldl ox se adhieran a las arterias y se desarrolle la aterosclerosis.

Si consideramos que una de las enfermedades vinculadas a la obesidad es la diabetes, hay que resaltar los beneficios del consumo del aguacate en su desarrollo, pues éste contribuye benéficamente a la regularización de los niveles de glucosa en sangre.

Por todo lo anterior, el aguacate es un aliado protector en la obesidad, pues es una potencial herramienta dentro de la dieta para el manejo de esta patología. Si se logra realizar un consumo regular de aguacate, se puede contribuir, entonces, a la mejora en la calidad de vida y el pronóstico de las personas que viven con obesidad (ver figura 4).

Figura 4. Beneficios del consumo de aguacate.
Crédito: elaboración propia.

Referencias

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Recepción: 09/12/2021. Aprobación: 28/07/2022.

Resumen

Desde una edad temprana, la sociedad nos inculca un prejuicio hacia nuestros desechos fisiológicos. La orina y heces fecales se asocian con falta de higiene. Sin embargo, en una persona sana la orina es un líquido libre de bacterias que se origina en los riñones y sus componentes principales son agua y nutrientes. En la última década los científicos han mostrado un interés en estudiar la orina humana como posible combustible y fuente de agua; hasta el día de hoy se han inventado algunos modelos de pilas que emplean bacterias para convertir la orina humana en energía eléctrica. A pesar de que aún se encuentran en desarrollo, las biopilas basadas en orina han mostrado resultados interesantes y prometedores.
Palabras clave: agua residual, bioelectricidad, celdas de combustible microbianas, energías alternativas, orina humana.

Bio-batteries that convert human urine into electricity

Abstract

From an early age, society instills in us a prejudice towards our physiological waste. Urine and feces are associated with poor hygiene. However, in a healthy person, urine is a bacteria-free liquid that originates in the kidneys and its main components are water and nutrients. In the last decade scientists have shown an interest in studying human urine as a possible fuel and water source; To this day, some models of batteries have been invented that use bacteria to convert human urine into electrical energy. Although still under development, urine-based bio-batteries have shown interesting and promising results.
Keywords: wastewater, bioelectricity, microbial fuel cells, alternative energies, human urine.

Introducción

Todos hemos usado pilas y baterías eléctricas —también conocidas como acumuladores eléctricos—, que contienen electricidad almacenada, lo que facilita el uso de aparatos eléctricos cotidianos sin necesidad de permanecer conectados a una toma de corriente directa. Algunos de estos aparatos son celulares, videojuegos y computadoras portátiles, entre muchos más, incluidos los autos (ver figura 1a). Las pilas han facilitado la vida moderna enormemente; sin embargo, ¿te imaginas un teléfono celular que se recargue empleando orina humana? Esta posibilidad ya no es producto de la imaginación. Esto nos lleva a otra pregunta: ¿podría comercializar mi orina como fuente de energía eléctrica?

La orina humana llamada comúnmente pipí, es un residuo del cuerpo, libre de bacterias y virus en una persona sana. Presenta un olor característico fuerte y desagradable. Se ha demostrado que puede ser empleada para generar corriente eléctrica capaz de recargar celulares, laptops e incluso encender lámparas. De acuerdo con Patel et al. (2020), la obtención de energía a partir de orina es posible mediante una especie de pilas que han recibido el nombre de celdas de combustible microbianas (ver figura 1b).

Historia de las pilas

El origen de las pilas eléctricas se remonta a 1780. Luigi Galvani descubrió accidentalmente que, si se ponían en contacto dos metales diferentes y ambos tocaban simultáneamente diferentes puntos de un nervio de anca de rana, se producía movimiento en la pierna del anfibio a pesar de estar muerto. Este descubrimiento sirvió como base para Alessandro Volta, que en 1799 inventó las pilas contemporáneas. Estas pilas reciben el nombre de pilas voltaicas en honor a Alessandro Volta o galvánicas en honor a Luigi Galvani, científicos pioneros en su desarrollo (ver figura 1c).

Funcionamiento de una pila

Una pila es una fuente de energía. De acuerdo con Castelvecchi (2011) en 1836, John Frederic Daniell fue el primero en diseñar y construir una pila. Unió, empleando un alambre, una barra de zinc (un metal) al que le llamó ánodo, con una barra de cobre (otro metal) al que llamó cátodo. Ambas barras metálicas se encontraban sumergidas en una solución de sulfato de cobre (una sal disuelta en agua) y separadas por una pared hecha con gelatina salada. La barra de zinc se comenzó a desintegrar, mientras que en la barra de cobre se comenzó a generar una corteza. El cobre funcionó como una aspiradora succionando los electrones de la barra del zinc. Los electrones que circulan a través del alambre son aprovechados como energía eléctrica. Las pilas diseñadas por Daniell pueden ser clasificadas como pilas abióticas, debido a que su funcionamiento no involucra ningún tipo de vida (ver figura 1c).

Pilas vivitas y coleando

Un siglo después del descubrimiento de la pila voltaica, se realizó otro gran descubrimiento: las biopilas, también conocidas como celdas de combustible microbianas. Estos dispositivos generan energía eléctrica a través de bacterias. El funcionamiento de las biopilas es similar al de las pilas galvánicas. La diferencia es que las bacterias son las encargadas de producir la electricidad (ver figura 1b). Esta novedosa tecnología ha despertado el interés de los científicos por las siguientes ventajas: remueve contaminantes a partir de agua residual, favorece la obtención de nutrientes, y genera bioelectricidad. En resumen, representa una alternativa sostenible para la generación de electricidad (Logan et al, 2006).

Pero ¿cómo es que los microorganismos logran producir electricidad? Existen al menos dos grandes grupos de bacterias: aquellas que usan el oxígeno para vivir y aquellas donde el oxígeno les resulta tóxico. Ambos grupos necesitan de compuestos orgánicos que emplean como alimento. Las bacterias relacionadas con la generación de energía eléctrica no necesitan del oxígeno para vivir y toman su alimento directamente de un medio líquido. Así, el agua residual presenta una gran cantidad de alimento (también llamado sustrato), que puede ser utilizado por los microorganismos (ver figura 2). Por la presencia de bacterias involucradas en la generación de electricidad, también se les conoce como dispositivos bioelectroquímicos. A diferencia de las pilas abióticas, las biopilas pueden eliminar contaminantes del agua residual y convertirlos en energía y nutrientes para plantas, como nitrógeno, fósforo y potasio (Santoro et al., 2020).

La orina humana forma parte del agua residual municipal y aporta nutrientes para plantas. Además, la orina presenta una cantidad importante de alimento que los microorganismos pueden consumir y convertir en energía eléctrica (Ieropoulos et al., 2013).

De residuo a recurso

Desde el nacimiento de las biopilas, diferentes tipos de agua residual han sido evaluados como combustible. Un ejemplo de combustible ampliamente conocido es la gasolina. Ésta puede ser introducida a un generador para convertirla en electricidad. En las biopilas, los contaminantes orgánicos funcionan como la gasolina de un motor. En pocas palabras, esta tecnología puede descontaminar al agua mientras produce energía eléctrica (Logan et al., 2006).

En este sentido, la orina humana ha captado la atención de un grupo de investigadores financiados por Bill Gates, quienes han desarrollado una línea de investigación para usarla como combustible para estos dispositivos (Santoro et al., 2020).

El poder de la pipí humana

La orina humana resulta atractiva por su abundancia y su composición, pues (ver figura 3):

1. Aproximadamente 95% es agua.
2. La orina procedente de humanos saludables no presenta microorganismos infecciosos, por lo que puede funcionar como una fuente alternativa de agua.
3. Presenta compuestos orgánicos empleados como combustible y convertidos en electricidad como urea, creatinina, amoniaco y ácido úrico.
4. Contienen elevada concentración de nitrógeno, fósforo y potasio, comúnmente encontrados en los fertilizantes comerciales.

Micciones con objetivo

Para el uso de la orina humana, es necesario contar con una separación eficiente. Se debe evitar al máximo la mezcla con popó y con el agua de descarga. Para conseguirlo se han implementado sanitarios separadores. Diferentes trabajos se han realizado para demostrar la capacidad de la orina como fuente de energía (ver video 1). En la tabla 1 se muestra una serie de investigaciones por el Dr. Ioannis Ieropoulos empleando orina humana en biopilas para hacer funcionar diferentes dispositivos.

Video 1. La orina humana podría cargar nuestros teléfonos móviles (euronews [en español], 2017).

Tabla 1. Uso de pipí humana para cargar eléctricamente diferentes dispositivos.

Científicos por el bien común

Algunos intentos del equipo del Dr. Ieropoulos para avanzar en la comercialización de los dispositivos incluyen pruebas en escenarios reales (Santoro et al., 2020). Así, en el campus Frenchay de la Universidad de Inglaterra del Oeste (uwe), se instaló el primer urinario Pee Power^®. En este intento se planteó que la iluminación del urinal se alimentara totalmente con biopilas (Fully Charged Show, 2021)

En el mismo orden de ideas, en 2015, se llevaron a cabo pruebas en el festival de música de Glastonbury, Reino Unido. Se diseñó un urinario colectivo con comedores integrados que serviría de piloto para los que se instalaron en los campos de refugiados en África por Oxfam, una confederación internacional que realizan labores humanitarias para combatir pobreza y marginación (ver figura 4). Este diseño presentaba luces en el techo que mostraban en tiempo real que la orina era convertida en electricidad directamente por las biopilas. Un año después, en el mismo festival, el diseño del urinal se amplió para dar servicio a 25 personas. Para Glastonbury 2017, instalaron dos urinarios separados. El urinal principal daba servicio a 40 personas, mientras que otro era para dos personas. En esta ocasión, no solo se conectaron luminarias a las biopilas, sino que se implementaron pantallas electrónicas inteligentes y una torre de recarga para teléfonos móviles. Todos los accesorios funcionaron a base de la pipí colectada. Otros de los escenarios de aplicación fueron escuelas en Uganda y Kenia en África con acceso limitado a la red eléctrica, y campos de refugiados Oxfam en la misma región (Santoro et al., 2020).

La primera instalación exitosa en comunidades que sufren marginación y pobreza se realizó en la Escuela de Niñas Seseme, una zona rural de Uganda. En este ensayo, la pipí proporcionó iluminación hacia zonas exteriores de los sanitarios y al interior de cuatro cubículos. De acuerdo con Christodoulou (2018), la Agencia de Noticias Cyprus (2018) y Husseini (2019), la aplicación de las biopilas en zonas marginadas y vulnerables benefició de varias maneras:

• Previnieron actos de violencia contra los usuarios del baño por las noches y picaduras/mordeduras por fauna peligrosa.
• Capacitaron estudiantes sobre cómo funciona y se construye esta tecnología.
• Incentivaron la creatividad de la comunidad, enfocándola a la satisfacción de sus necesidades para mejorar su calidad de vida.

Esta primera prueba llevó a los científicos a refinar las celdas de combustible microbianas. Para lograrlo se enfocaron en la reducción de tamaño, para hacerlas modulares y capaces de satisfacer las necesidades de electrificación y/o saneamiento de diferentes entornos.

El segundo intento de instalar biopilas se llevó a cabo en una escuela-internado con 700 alumnos en un barrio marginado de Nairobi, Kenia. El sistema iluminó los módulos de sanitarios empleando focos LED. La instalación se realizó con la participación del equipo de investigadores del Bristol BioEnergy Center (BBiC) y el Fondo de Educación Infantil de Akamba. El dispositivo propuesto canalizó la orina a una columna con más de 200 biopilas. Este diseño alimentó el sistema de iluminación y recarga de teléfonos móviles.

En los dos últimos casos, la tecnología ayudó a iluminar patios y jardines, particularmente en el área de letrinas (Santoro et al., 2020). Otros sitios propuestos para ensayos de campo son: India, Nepal y Sudáfrica. Además, destacan los esfuerzos de la empresa social Robial para comercializar los dispositivos Pee Power^®. Esta organización surge en la Universidad del Oeste de Inglaterra y se enfoca en el empleo de celdas de combustible microbianas alimentadas con carbón orgánico, presente en orina y en diversos tipos de agua residual para la producción de bioelectricidad (Ieropoulos et al., 2016).

El creador de la tecnología Pee Power^® es el doctor Ieropoulos, proyecto que comenzó a desarrollar en 2000. Su objetivo era emplear celdas de combustible microbianas como fuente de poder para robots autónomos. Ieropoulos consiguió que dos robots completamente autónomos reportaran condiciones ambientales (temperatura, humedad y niveles de contaminación) desde áreas rurales remotas, teniendo como fuente de alimentación las celdas de combustible microbianas. A pesar de que la comercialización de las celdas se encuentra en las primeras etapas, la empresa Robial espera poder producir grandes cantidades de energía en un futuro cercano, con varias aplicaciones.

Las biopilas producen energía a circuito cerrado equiparable con las pilas convencionales y con los paneles solares. La energía generada por las celdas de combustible microbianas empleando orina equivale a la energía de una pila AAA; y su eficiencia es menor que la de las pilas AA. Sin embargo, el Dr. Ieropoulos explica que esto no es la limitante de la tecnología, una mejor investigación y desarrollo de materiales beneficiará la eficiencia de las biopilas (Huseini, 2019).

En la actualidad, una celda de combustible microbiana operando con 10 mL de orina o agua residual puede generar aproximadamente 1-2 miliwatts de potencia. Además, se estima que cada adulto produce alrededor de 300-550 L anuales de orina (ver figura 3). ¿Y si empleáramos la orina producida a nivel global en un mundo con más de 7 mil millones de habitantes? Entonces seríamos capaces de generar electricidad limpia para iluminar ciudades enteras alrededor del mundo, mientras producimos agua y nutrientes para la agricultura, a partir de un líquido que actualmente es considerado un desecho contaminante y desagradable.

Conclusiones

En años recientes ha quedado demostrado que las biopilas cumplen funciones útiles sin requerir de energía externa para operar. Sin embargo, la tecnología de las biopilas aún se encuentra en desarrollo. La idoneidad comercial de una tecnología es determinada por un sistema de clasificación de acuerdo con su nivel de preparación tecnológica trl (Technology Readiness Level). En relación con esta clasificación, las celdas de combustible microbianas se encuentran en la región trl1-trl3. Es decir, su desarrollo científico está a nivel de laboratorio. En los experimentos aún se emplean electrodos y separadores fabricados en laboratorio; mientras que la tecnología de sus primos lejanos, la energía fotovoltaica (la de los paneles solares), se ha desarrollado por décadas y las pilas alcalinas por siglos. Con el desarrollo y evolución de los materiales los 1-2 milliwats producidos con 10 mL de orina, serán generados con 1 mL o menos. Con lo anterior, se lograría la reducción del tamaño de las celdas y se convertirían en módulos compactos apilables e interconectados, capaces de iluminar hogares enteros con simplemente ir al baño.

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Recepción: 31/01/2022. Aprobación: 28/07/2022