Nano, Bio, Info y Cogno - IBERO-NBIC @ Inicio

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Nano, Bio, Info y Cogno
(Convergencia de Tecnologías NBIC)
Conceptos y Aplicaciones.
Redes CYTED NANOROADMAP e IBERO-NBIC
JORDI AGUILÓ LLOBET
ALBERT FIGUERAS DAGÀ
ANA MARÍA FREIRE VEIGA
DIANA DE LA IGLESIA JIMÉNEZ
FERNANDO MARTÍN SÁNCHEZ
ALEJANDRO PAZOS SIERRA
2011
Nano, Bio, Info y Cogno (Convergencia de Tecnologías NBIC).
FICHA EDITORIAL
AGUILÓ LLOBET, Jordi
FIGUERAS DAGÀ, Albert
FREIRE VEIGA, Ana María
DE LA IGLESIA JIMÉNEZ, Diana
MARTÍN SÁNCHEZ, Fernando
PAZOS SIERRA, Alejandro
Autores: Diana de la Iglesia, Fernando Martín, Ana Freire, Alejandro Pazos, Julián Dorado,
Albert Figueras, Victoria López, Guillermo López, Raúl Isea, Joel P. Arrais, Sérgio Matos,
José L. Oliveira, Víctor Maojo, Miguel García Remesal, Álvaro Margolis, Antonio López,
Vanessa Aguiar, Juan R. Rabuñal, Sonia Benítez, Daniel Luna, Paula Otero, Fernán Quirós,
María D. Pérez, Walter E. Triaca, Gustavo Andreasen, Consuelo Montes, Tomás Vargas,
Irán David, Ana B. Porto, Javier Pereira.
Ilustración y Maquetado: Ana María Freire Veiga.
ISBN: 978-84-15413-00-4
Reservados todos los derechos. De conformidad con lo dispuesto en el artículo 534 bis del Código
Penal vigente, podrán ser castigados con penas de multa y privación de libertad los que, sin la
preceptiva autorización, reprodujeran o plagiaran, en todo o en parte, una obra literaria, artística o
científica fijada en cualquier tipo de soporte.
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I.S.B.N.: 978-84-15413-00-4
Depósito Legal.: C 2375-2011
3
PRÓLOGO
Este libro surge con el afán de aportar diversas perspectivas
de investigación centradas en los cuatro pilares NBIC:
Nanotecnología, Biotecnología, Tecnologías de la Información
y las Comunicaciones y Tecnologías del Conocimiento. Cada
uno de los capítulos que se integran en este libro se asocia a
una o varias de estas disciplinas, de modo que queda patente
la sinergia existente entre ellas y la necesidad de la
mutidisciplinariedad para abordar problemas complejos.
Las tecnologías NBIC son uno de los principales aportes al
desarrollo del panorama científico y tecnológico actual. Por su
actualidad
e
importancia,
resulta
imprescindible
su
divulgación a todos los ámbitos de la sociedad, para que
conozca y tome conciencia del surgimiento de estas nuevas
tecnologías y del potencial de su uso conjunto para mejorar el
bienestar de las personas, sobre todo en lo referente al ámbito
de la calidad de vida y a la salud personal y poblacional. Ese
es, precisamente, uno de los objetivos prioritarios de CYTED al
apoyar las Redes NanoRoadmap e Ibero-NBIC.
En la portada de este libro, compendio de las aportaciones
científicas de los grupos participantes en el workshop de las
redes
Ibero-NBIC
y
NanoRoadmap
5
que
tuvo
lugar
recientemente en la península de Yucatán, tierra de los
Mayas, figuran 4 vértices dobles de imágenes. Los dibujos
interiores representan los dioses Bacab, pertenecientes a la
mitología
maya, que
representaban
los
cuatro
puntos
cardinales. Siguiendo la orientación de cada uno de estos
dioses, aparecen otros cuatro símbolos que representan los
cuatro
pilares
NBIC:
Nanotecnología,
Biotecnología,
Tecnologías de la Información y las Comunicaciones y
Tecnologías
del
Conocimiento,
que
serían
los
puntos
cardinales de la Ciencia actual para avanzar en la solución
de problemas complejos y concretos en el ámbito de la salud,
como pueden ser el cáncer, las patologías neuropsiquiátricas,
las patologías cardiovasculares, etc.
Adentrándose en los capítulos del libro, el lector podrá hacer
un recorrido por algunos de los aspectos de las tecnologías
NBIC, desde una perspectiva de I+D y, sobre todo, educativa
o formadora y divulgadora.
En los primeros capítulos, se ha realizado un recorrido por
algunas aplicaciones de la Nanotecnología: conversión
electroquímica
de
energía
en
base
a
hidrógeno,
aplicaciones fotovoltaicas y tratamiento de aguas residuales.
6
En los capítulos centrales, del cuarto al séptimo, se hace una
exposición de los cuatro pilares NBIC y las sinergias entre ellos
con aplicaciones en el ámbito de la salud, desde la
perspectiva de generación de información y conocimiento
Informática biomédica en nanomedicina mediante minería
de textos y extracción de información mediante computación
evolutiva, integración de datos y acceso a recursos, etc.
También se presenta una aplicación específica referente al
problema de la malaria y posibles candidatos a combatirla
mediante
la
búsqueda
computacional
de
proteínas
antigénicas.
Para finalizar, los capítulos noveno y décimo nos presentan la
experiencia del Hospital Italiano de Buenos Aires poniendo en
práctica proyectos de integración de información molecular y
la propuesta desde el sector empresarial, en concreto desde
la empresa uruguaya Evimed, de estrategias de formación y
divulgación de estas tecnologías convergentes.
Considero que este documento presenta una amplia, aunque
obviamente incompleta, y didáctica panorámica de la
potencialidad de estas tecnologías emergentes. Y no solo se
queda en el mundo de lo posible, sino que también da
cuenta el documento de aplicaciones actuales que ya
presentan importantes utilidades prácticas.
7
Espero que sea del agrado de los lectores y que sirva para dar
a conocer algunas de las oportunidades que ofrecen estas
nuevas
tecnologías
a
todos
los
colectivos
implicados:
profesionales, usuarios, directivos de las empresas, dirigentes
políticos y a todos los sectores de la sociedad que, más pronto
que
tarde,
verán
como
estas
tecnologías
entrarán
inexorablemente en el mundo de lo cotidiano para ayudarnos
en muchas de las facetas de nuestro quehacer diario.
Fernando Aldana
Secretario General del Programa CYTED
8
TABLA DE CONTENIDOS
Capítulo 1
Nanotecnología en energía: aplicaciones fotovoltaicas ......... 13
María D. Pérez, Centro Atómico Constituyentes (Argentina).
Capítulo 2
La Nanotecnología En La Conversión Electroquímica De
Energía En Base A Hidrógeno ....................................................... 35
Walter E. Triaca y Gustavo A. Andreasen, Universidad Nacional de La
Plata-CONICET (Argentina).
Capítulo 3
Remediación de aguas residuales mediante el uso de
Nanotecnología ............................................................................. 77
Consuelo Montes et col., Universidad de Antioquía (Colombia).
Capítulo 4
La Informática Biomédica como camino crítico para conseguir
la Convergencia de Tecnologías NBIC en Salud ....................... 99
Victoria López et col., Instituto de Salud Carlos III (España).
9
Capítulo 5
Informática Biomédica en Nanomedicina: Minería de textos,
Integración de Datos y Acceso a Recursos ............................. 121
Víctor Maojo et col. Universidad Politécnica de Madrid (España).
Capítulo 6
Búsqueda
computacional
de
proteínas
antigénicas
candidatas para el diseño de vacuna contra la malaria ...... 139
Raúl Isea, Instituto de Estudios Avanzados (Venezuela).
Capítulo 7
Extracción de información mediante comput. evolutiva ....... 157
Ana Freire et col., Universidad de A Coruña (España).
Capítulo 8
Integração de dados biomédicos ............................................. 185
Joel P. Arrais et col., Universidade de Aveiro (Portugal).
10
Capítulo 9
Proyectos de integración de información molecular en un
Hospital académico .................................................................... 225
Sonia Benítez et col., Hospital Italiano de Buenos Aires (Argentina).
Capítulo 10
Comunidades de práctica: estrategia para la generación y
diseminación de conocimiento científico ................................ 253
Álvaro Margolis y Antonio Lµpez, EviMed (Uruguay).
11
NANOTECNOLOGÍA EN ENERGÍA: APLICACIONES
FOTOVOLTAICAS
María Dolores Pérez
E-mail: [email protected]
CONICET
Comisión Nacional de Energía Atómica – Centro Atómico
Constituyentes
1.1
INTRODUCCIÓN
Las energías sustentables serán las protagonistas del desarrollo
energético global en una sociedad responsable de sus
recursos naturales. Las fuentes de energía que utilicen
combustibles limpios y renovables son la esperanza para
reducir el impacto ambiental asociado a un creciente
consumo de energía. En una proyección conservadora,
considerando sólo el crecimiento poblacional y sin tomar en
cuenta el consumo de las economías emergentes, se estima
que la demanda eléctrica llegará a 30 terawatts, para el año
2050 (1 terawatt (TW) = 1012 Watts = 1012 J/s ), es decir que
aumentará casi al doble del consumo actual. La demanda
energética es hoy en día satisfecha principalmente por
energías que utilizan combustibles fósiles (no renovables) con
13
alto porcentaje de emisiones contaminantes, de manera que
un
aumento
de
la
producción
energética
tendría
consecuencias ambientales gravísimas para la salud de
nuestro planeta. Es por esto que el desafío primordial de los
años por venir es la implementación de energías alternativas
que reduzcan el impacto ambiental.
El sol constituye la mayor fuente de energía del planeta tierra.
La superficie terrestre recibe en una hora tanta energía
lumínica proveniente del sol como la energía consumida
anualmente en todo el planeta (~ 14 TW/h). La energía solar
puede satisfacer las crecientes necesidades energéticas
humanas de manera sostenible, segura y limpia con balance
cero de emisiones de carbono. Sin embargo, no es aún una
fuente eléctrica de consumo masivo debido a la elevada
relación costo-eficiencia de las tecnologías existentes. Por
ejemplo, las instalaciones de alta eficiencia de conversión
solar necesarias para abastecer el consumo hogareño son
altamente costosas, con una recuperación de la inversión a
largo plazo que resulta privativo para muchos sectores que no
cuenten con subsidios estatales. Es imperativo que la ciencia
desarrolle nuevos materiales y estudie las reacciones y
procesos
que
permitan
que
la
energía
solar
sea
económicamente accesible de modo de penetrar en los
mercados globales y así reemplazar las actuales energías
14
contaminantes. En este sentido, la nanotecnología presenta
un escenario de oportunidades únicas para el desarrollo de
sistemas fotovoltaicos altamente eficientes y de muy bajos
costos. La nanotecnología ofrece la posibilidad de desarrollar
materiales
mínimamente
tóxicos
que
aprovechen
eficientemente las materias primas utilizando muy poco
material, a la vez que se reducen los costos de producción y
se incrementan las eficiencias energéticas. Asimismo permite
imaginar la utilización de sistemas solares en múltiples y
novedosas aplicaciones, como ser aquellos que involucren
sustratos livianos y flexibles (plásticos, telas, etc.) o integrados a
la construcción.
1.2
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Las tecnologías de conversión fotovoltaica se han clasificado
según tres clases, las de primera, segunda y tercera
generación (Fig. 1).1 La primera, basada en silicio cristalino,
presenta eficiencias relativamente altas (hasta un 25% a nivel
laboratorio) y gran estabilidad. Sin embargo, los costos de
producción son aún relativamente elevados. Es la tecnología
de más larga data y con mayor capacidad instalada debido
a que la elevada eficiencia sumada a la robustez y
estabilidad de los paneles han permitido su dominio del
mercado a pesar de los altos costos.
15
Figura 1: Análisis de la relación costo-eficiencia para las
distintas generaciones de tecnologías fotovoltaicas.
Reproducido de Ref. 1
La segunda generación de celdas fotovoltaicas, de desarrollo
más reciente que la anterior, presentan eficiencias de
conversión fotovoltaica no tan elevadas como las de primera
generación pero con costos marcadamente reducidos. Esta
disminución de los costos ha permitido un creciente consumo
instalándose cada vez más como alternativa solar. Abarca a
las
llamadas
celdas
de
película
delgada
que
utilizan
materiales como el CdTe, CIGS (Copper Indium Gallium
Selenide), o Si amorfo. Los paneles son delgados, utilizan muy
poco material fotoactivo y su reducción de costos compensa
16
sus menores eficiencias de manera que resulta una tecnología
viable económicamente.
Por último, la tercera generación de dispositivos fotovoltaicos
corresponde a aquellas celdas solares que utilicen nuevas
tecnologías,
como
generación
de
semiconductores
ser
celdas
la
nanotecnología.
solares
tradicionales
va
más
La
allá
inorgánicos,
tercera
de
los
incorporando
materiales orgánicos y semiconductores procesados en
dimensiones nanométricas. Debido a las propiedades únicas
de estos sistemas, se estima que la tercera generación de
dispositivos presenta un inmenso potencial de elevar la
eficiencia de fotoconversión acompañada de una reducción
de costos de producción y que tienden al uso de dispositivos
ultra
delgados.
Los
dispositivos
de
tercera
generación
prometen superar el límite teórico de eficiencia de 31%
conocido como Shockley- Queisser aplicable a las celdas de
Si. Por ejemplo, si el exceso de energía de las cargas
fotogeneradas
en
comparación
con
el
band-gap
se
aprovecha para generar más potencial, o multiplicar el
número de electrones generados, se puede llegar a una
eficiencia del 60%, apenas inferior al límite termodinámico
absoluto, que para una intensidad de irradiación de 1 Sol sería
del orden del 68%.2 Sumado a esto hay que recalcar que esta
tecnología
incorpora
mínimas
17
cantidades
de
recursos
abundantes y poco tóxicos. Además, atrae particularmente la
atención la posible aplicación en sustratos flexibles y livianos,
telas y plásticos que darían la posibilidad de novedosos y
variados
usos.
Por
todo
esto,
la
aplicación
de
la
nanotecnología en dispositivos solares es un área de creciente
atención científica. A pesar de que por ahora los logros
alcanzados en términos de elevar las eficiencias están aún
lejos de los deseados para su comercialización, es de
fundamental importancia dedicar crecientes esfuerzos en el
desarrollo de esta prometedora rama de los dispositivos
solares.
1.3 NANOTECNOLOGÍA
EN
APLICACIONES
FOTOVOLTAICAS
La nanotecnología aplicada a la energía solar es sumamente
atractiva debido a sus enormes potenciales beneficios. En
principio se estima que se podría reducir inmensamente los
costos de fabricación de dispositivos y que se utilizarían
materiales en mucha menor escala y con menor impacto
ambiental. También se pueden concebir aplicaciones en
sustratos mucho más livianos y flexibles por lo que los costos de
instalación también se verían ampliamente reducidos. A todo
esto se le suma la posibilidad de elevar las eficiencias de
18
conversión fotovoltaica mediante la superación del límite
Shockley-Queisser.
Entre
las
nanotecnologías
solares,
los
dispositivos
más
conocidos y con mayor avance son las desarrolladas por
Grätzel en lo que se denomina las celdas solares sensibilizadas
con colorante (dye sensitized solar cells). Estas celdas
presentan eficiencias relativamente elevadas, de alrededor
del 10%3.
Por otro lado, están las celdas de estado sólido
basadas en heterojunturas donor/aceptor (tipo p-n) que
utilizan pigmentos poliméricos o colorantes de bajo peso
molecular como elementos fotoactivos. Estas celdas solares
orgánicas presentan eficiencias aún menores, alrededor del 56%, ya que no están tan desarrolladas como las de Grätzel.4-8
Las bajas eficiencias (lejos de los límites teóricos) se deben en
parte a que es un área de investigación muy reciente ya que
ha comenzado a ser explorada recién a partir de la última
década. Recientemente se ha dado una carrera para la
comercialización de estas celdas, también llamadas “celdas
solares plásticas”, por lo que empresas como Konarka y
Solarmer han reportado récords de alrededor del 8%.9, 10
Sumado a estos dispositivos tenemos las celdas solares que
utilizan materiales fotoactivos de confinamiento cuántico o
puntos cuánticos (quantum dots). Éste área de la fotovoltaica
19
es también relativamente reciente pero en crecimiento y
presenta eficiencias aún bastante pobres estando muy lejos
de ser comercialmente viables. Sin embargo, han recibido
una gran atención debido a que se estima que el límite
termodinámico estaría alrededor del 66% pudiendo ser posible
la realización de celdas de alta eficiencia. Los puntos
cuánticos pueden ser aplicados en diversas configuraciones
como ser: en un arreglo para producir fotoelectrodos, como
sensibilizador (colorante) en DSCC, dispersas en matrices de
semiconductores orgánicos, etc.11
Figura 2: Diagrama esquemático de energías y principio
de operación de las celdas sensibilizadas por colorante.
Reproducido de Ref. 12
20
A continuación se presenta una breve introducción a cada
una de esta nanotecnologías aplicadas a la energía solar.
Celdas sensibilizadas por colorante ó celdas de Grätzel.
Las celdas sensibilizadas por colorante, han recibido una gran
atención desde que Grätzel desarrolló la primer celda de muy
alta eficiencia en el año 1991.12 Estas celdas se basan en el
aprovechamiento de las cargas fotogeneradas (e-,h+) por el
colorante, adsorbido a las nanopartículas de TiO 2. Estas cargas
circulan
a
través
de
la
celda
mediante
un
sistema
electroquímico de cascada de niveles energéticos que
favorecen la movilidad de las cargas hacia el ánodo y el
cátodo respectivamente (Fig. 2). A pesar la alta eficiencia
fotovoltaica
alcanzada
de
estas
celdas,
persiste
el
inconveniente práctico del electrolito soporte en fase líquida.
La presencia de una fase líquida disminuye la estabilidad de
las celdas frente a exposiciones prolongadas al sol y requeriría
de diseños más elaborados para su efectiva comercialización
y uso en grandes escalas. Muchos avances han sido
demostrados en el campo del diseño de los colectores
nanoestructurados de TiO2 así como también en el diseño y
síntesis de los colorantes. Hoy en día, los mayores esfuerzos
científicos
están
dedicados
al
desarrollo
de
eficientes
electrolitos sólidos (principalmente poliméricos) que permitan
21
el desarrollo de las celdas sensibilizadas por colorante de
estado sólido.13 Las eficiencias alcanzadas hasta ahora distan
aún de las de fase líquida debido principalmente a la alta
velocidad de recombinación de cargas en la interfaz
orgánica-inorgánica.
Sólidas tipo p-n
Las celdas de estado sólido basadas en heterojunturas
donor/aceptor (tipo p-n) utilizan pigmentos poliméricos o
colorantes, y son las
llamadas
celdas
solares
orgánicas
(CSO).
Esta
tecnología
cuenta
con la ventaja de la
robustez del estado
sólido
Figura 3: Representación esquemática
de celdas solares híbridas (CSH) y celdas
solares orgánicas (CSO).
pudiéndose
desarrollar
celdas
extremadamente
delgadas
con
materiales ecológicamente amigables. El avance de esta
tecnología se concentra por un lado en el desarrollo de
nuevos materiales que maximicen la fotoconversión eléctrica
y que aseguren el libre flujo de cargas a través del dispositivo.
22
Asimismo, existen grandes esfuerzos en la ingeniería y diseño
de
las
celdas
de
manera
de
optimizar
las
diversas
características de los materiales, como ser el diseño de las
interfaces, la superposición de absorción con el espectro solar,
la movilidad de cargas, difusividad del estado excitado,
cargas atrapadas, etc.
Por otro lado, también se han demostrado importantes
esfuerzos en el área de las celdas híbridas de estado sólido
(CSH). Estas celdas combinan el uso de materiales fotoactivos
inorgánicos y orgánicos, aprovechando las ventajas de
ambos materiales.
La problemática principal de las CSOs se basa en la baja
conductividad de los materiales orgánicos. La movilidad de
cargas en estos sistemas sólidos amorfos es mucho menor a la
de los semiconductores inorgánicos siendo necesario el uso de
películas subnanométricas para evitar efectos resistivos, con la
desventaja de que se reduce la magnitud de absorción de
fotones. Esta problemática se aborda de dos maneras, por un
lado se puede modificar el material químicamente de manera
tal de que se mejoren sus propiedades de empacamiento,
ordenamiento y por lo tanto de movilidad de cargas y difusión
de excitones.14-16 Por otro lado, se puede solucionar de un
punto de vista “arquitectónico” mediante el aumento del
23
área
superficial
en
la
interfaz
donor/aceptor
usando
heterojunturas “bulk” lo que permite el uso de mayor cantidad
de material, evitando problemas resistivos y optimizando la
transferencia de carga en la interfaz.
La combinación de materiales orgánicos e inorgánicos en la
construcción de celdas híbridas surge como una alternativa
natural para resolver las problemáticas de ambos sistemas. Las
celdas solares híbridas (CSH) permiten aprovechar las ventajas
únicas de cada material. Por un lado, los semiconductores
inorgánicos otorgan robustez y estabilidad al mismo tiempo
que ofrecen novedosas estructuras tridimensionales que
permiten interfaces del tipo “bulk” altamente controladas. Por
otro lado, los materiales orgánicos consisten en una opción de
bajo costo para el mejor aprovechamiento de la luz solar en
toda su extensión espectral. En las CSH se aprovecha la alta
versatilidad y flexibilidad de los materiales orgánicos, con la
robustez y capacidad de diseño tridimensional de los
materiales mesoporosos. En particular, la fabricación de óxidos
mesoporosos que presentan una enorme superficie específica
(150-2000m2/g),
y
poros
monodispersos
de
diámetro
controlado en la escala del nanómetro por combinación de
técnicas
sol-gel
y
moldeado
supramolecular
ha
sido
ampliamente estudiada.17 Los sistemas solares híbridos ya han
sido exitosamente probados como posibles tecnologías
24
fotovoltáicas,18-20 sin embargo las eficiencias resultan todavía
relativamente bajas. Es necesario, tanto un estudio sistemático
de las estructuras y propiedades de las matrices inorgánicas,
así como de los materiales sensibilizadores para entender
aquellos parámetros que resulten en eficiencias elevadas. Éste
área constituye gran parte del esfuerzo de los laboratorios de
nanoquímica con énfasis en aplicaciones fotovoltaicas.
Celdas solares basadas en puntos cuánticos (quantum dots)
Los
puntos
cuánticos
son
semiconductores
inorgánicos
confinados en dimensiones reducidas de tamaños menores a
los 10-25 nm. Las propiedades ópticas que resultan de este
confinamiento cuántico son sumamente interesantes para
diversas aplicaciones. Tanto la absorción como la emisión
pueden ser fácilmente modificadas mediante la variación del
tamaño de confinamiento del punto cuántico. De esta
manera se pueden sintetizar partículas de una elevada
intensidad de absorción en el rango visible lo cual es de suma
relevancia para aplicaciones fotovoltaicas.
Los puntos
cuánticos se aplican a las celdas solares jugando diversos roles
en varias funciones. Por ejemplo, se los puede usar como
fotoelectrodos en arreglos homogéneos bidimensionales sobre
un sustrato transparente; o también se los puede aplicar en
celdas solares híbridas del tipo heterojuntura “bulk”. Estos
25
últimos se obtienen dispersando los puntos cuánticos en
matrices poliméricas fotoactivas (P3HT, PPV, etc). Asimismo,
grandes esfuerzos se han reportado en el uso de puntos
cuánticos como sensibilizadores en celdas de Grätzel. Sin
embargo, en todos los casos, las eficiencias distan aún de ser
relevantes en aplicaciones tecnológicas por lo que el
desarrollo de esta área requiere todavía de mucha atención
del campo científico.
Estos nanomateriales son sumamente atractivos porque
ofrecen la promesa de celdas solares más eficientes que
aquellas de materiales convencionales. Se estima que el límite
termodinámico de eficiencia para los puntos cuánticos estaría
alrededor del 66%, casi el doble del límite Shockley-Queisser
para el silicio monocristalino. El incremento del límite teórico
tiene origen en la generación múltiple de excitones a partir de
la incidencia de un solo fotón, en lo que se conoce como
generación de cargas “calientes”. Este excedente de cargas
fotogeneradas se traduce necesariamente en un aumento de
la fotocorriente y por ende en la eficiencia de conversión
fotovoltaica. 11
26
Figura 4: Representación esquemática de la generación
múltiple de excitones en un punto cuántico (Izquierda). Tres
posibles configuraciones genéricas de celdas solares de
puntos cuánticos (derecha). Reproducido de Ref. 11
Otras nanotecnologías: El futuro nanotecnológico de las
celdas inorgánicas
En un novedoso punto de vista, se ha comenzado a explorar
recientemente el uso de la nanotecnología en celdas de
naturaleza similar a las tradicionales de Si monocristalino. Esta
innovación
en
la
nanotecnología
revolucionaría
la
elaboración de los dispositivos solares clásicos dando lugar a
celdas más eficientes y de mucho menor costo. De esta
manera, la facilidad de preparación de Si monocristalino
implicaría
menores
requerimientos
energéticos
para
la
fabricación así como también una reducción del impacto
27
ambiental. El peculiar diseño de las estructuras nanométricas
fotoactivas provee un escenario único para el mejoramiento
de las propiedades ópticas del material y en consecuencia de
las eficiencias de conversión fotovoltaica. De esta manera se
presenta un escenario ideal para la obtención futura de
celdas eficientes, estables y de bajos costos.
Se han desarrollado construcciones de arreglos (“arrays”) de
alambres de silicio embebidos en una matriz polimérica, al
estilo de lo que muestra la Figura 5.21 La fila superior muestra
una vista desde arriba, la fila inferior una vista con un ángulo
de 20º. La técnica de síntesis es proceso de crecimiento
vapor-líquido-sólido (VLS) decorado por fotolitografía. Como
resultado se obtienen arreglos de Si monocristalino con una
elevada absorción de luz solar visible (incluyendo radiación
infrarroja) (Fig. 5), demostrando la factibilidad de desarrollar
celdas solares de Si altamente eficientes.
28
Figura 5: Composición y orden de los arreglos de alambres de
Silicio. Arriba: Vista superior SEM, Abajo: Vista SEM a ángulos de 20ª.
Asimismo, se ha comenzado a explorar la posibilidad de
construir celdas basadas en nanotubos de silicio. Como
muestra la Figura 6, es posible armar dos tipos de junturas,
axiales (a) y radiales (b) de acuerdo al sentido con la que se
obtendría la separación y extracción de las cargas eléctricas.
Con rosa se representa un segmento de diodo de tipo p y en
celeste uno de tipo n. La síntesis de los nanotubos 22 se basan
en técnicas de crecimiento VLS catalizados por nanoclústers
metálicos.23 El dispositivo se desarrolla de manera tal que
cada nanotubo representa una celda por sí sola formando
parte de un arreglo eficiente de nanotubos que resulta en una
celda solar en tándem.
En resumen, se ha dado un breve panorama del potencial de
la nanotecnología en sus diversas aplicaciones a la energía
solar. El desarrollo de la nanotecnología solar se encuentra en
29
Figura 6: Arreglos de nanotubos de Si de tipo p-n para
aplicaciones en celdas solares. Reproducido de Ref. 22
una etapa previa, de exploración y optimización de la síntesis
y fabricación de dispositivos, pero constituye un gran desafío
para el futuro del abastecimiento energético global. La
promesa de altas eficiencias y disminución de costos permiten
imaginar
un
futuro
energético
solar
que
satisfaga
las
crecientes necesidades energéticas de manera limpia con
balance cero de emisiones de carbono.
30
REFERENCIAS
[1] Ginley, D., Green, M. A. and Collins, R., Solar energy conversion
toward 1 terawatt. MRS Bulletin, 2008. 33(4): p. 355.
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Science, 2007, 315, p.798
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Viscardi, G., Liska, P., Ito, S., Takeru, B. and Gratzel, M.,
Combined Experimental and DFT-TDDFT Computational Study
of Photoelectrochemical Cell Ruthenium Sensitizers. Journal of
the American Chemical Society, 2005. 127(48): p. 16835.
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Stable, Efficient Polymer Solar Cells with Nanoscale Control of
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Network
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Advanced
Functional Materials, 2005. 15(10): p. 1617.
[5] Reyes-Reyes, M., Kim, K. and Carroll, D. L., High-efficiency
photovoltaic
devices
based
on
annealed
poly(3-
hexylthiophene) and 1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1- phenyl(6,6)C[sub 61] blends. Applied Physics Letters, 2005. 87(8): p.
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31
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[10] http://www.solarmer.com/
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110, 6873
[12] O'Regan B., Grätzel M., A low-cost, high-efficiency solar cell
based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature, 1991. 353,
6346
32
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34
LA NANOTECNOLOGÍA EN LA CONVERSIÓN
ELECTROQUÍMICA DE ENERGÍA EN BASE A HIDRÓGENO
W. E. Triaca y G. A. Andreasen
Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas
(INIFTA), Universidad Nacional de La Plata-CONICET, La Plata,
Argentina.
2.1
INTRODUCCIÓN
El uso de fuentes de energía primarias renovables ha sido ya
ampliamente reconocido como la alternativa más viable para
solucionar los problemas asociados a la creciente demanda
de energía, la necesidad de proteger el medio ambiente y el
requerimiento de una mejor calidad de vida.
En la actualidad, la mayor parte de la energía que se
consume mundialmente proviene de la combustión térmica
de fuentes fósiles, i.e., petróleo, carbón, gas natural, etc.
(Tabla 1). En Argentina la situación es similar, ya que se
consumen anualmente aproximadamente 6 x 10 7 toneladas
35
de combustibles fósiles, principalmente para la producción de
electricidad en usinas térmicas y en el transporte vehicular.
Fuente
Mundo
Argentina
Combustibles Fósiles
84%
94%
Energía Nuclear
8,5%
2%
Energías Renovables
7,5%
4%
Tabla 1: Contribución de fuentes primarias en el suministro
global de energía.
La producción de electricidad mediante la combustión
térmica convencional de fuentes fósiles presenta serias
desventajas, ya que es un método indirecto e ineficiente que
implica una etapa intermedia de conversión de calor en
trabajo mecánico con un límite de eficiencia intrínseca
impuesto por el ciclo de Carnot. Así, por ejemplo, una
máquina térmica que opera entre 350 ºC y 100 ºC tiene una
eficiencia máxima intrínseca de 40% y, en la práctica, existen
otras pérdidas de energía extrínsecas, tales como disipación
de calor a los alrededores, calor generado por fricción en las
partes móviles, combustión incompleta, etc., que disminuyen
aún más el rendimiento. De este modo, en los motores de
combustión interna, la eficiencia práctica es del 15 % al 20 %,
36
esto es, se desperdicia más del 80% de la energía química
contenida en el combustible. Además, como productos de la
combustión se arrojan al ambiente principalmente agua y
dióxido de carbono, que contribuye al calentamiento global,
y otros contaminantes, tales como monóxido de carbono,
óxidos
de
nitrógeno
(NOx),
óxidos
de
azufre
(SOx),
hidrocarburos no saturados, material particulado, etc., que
provocan desequilibrios ecológicos (lluvias ácidas, reducción
de la capa de ozono, formación de smog, etc.) y/o dañan la
salud. Por otra parte, debido a la baja eficiencia de
conversión del método, se desaprovechan las limitadas
reservas de combustibles fósiles, que han tardado millones de
años en formarse.
Para resolver estos problemas se han desarrollado sistemas
para el aprovechamiento integral de fuentes primarias de
energía limpias y renovables que puedan sustituir a los
combustibles
fósiles, tales
como
energías
solar, eólica,
hidráulica, geotérmica, mareomotriz, etc. [1].
Si bien se puede imaginar un escenario futuro donde las
fuentes primarias renovables, principalmente energías eólica y
solar, ocupen un lugar predominante en la matriz energética
sustituyendo a los combustibles fósiles, existen problemas
relacionados con el almacenamiento y el transporte de la
energía primaria y la facilidad de su conversión de acuerdo a
37
la demanda. En este aspecto, debe señalarse que, en el lugar
de consumo final, sólo el 25 % de la energía primaria se usa
como electricidad y el 75 % restante como combustible. Por lo
tanto, las energías primarias renovables deben usarse tanto
para
generar
electricidad
como
para
manufacturar
combustibles. Es en este escenario donde aparece el
hidrógeno como combustible ideal para el reemplazo de los
combustibles fósiles fluidos (gases y líquidos), ya que puede
obtenerse fácilmente por electrólisis del agua a partir de
fuentes
primarias
convenientemente
renovables.
El
almacenado,
hidrógeno
ya
sea
electrolítico,
como
gas
comprimido, líquido a bajas temperaturas o en estructuras
sólidas bajo la forma de hidruro metálico, puede transportarse
al centro de consumo donde su combustión produce energía
útil.
2.2
CICLO DEL HIDRÓGENO
El hidrógeno se encuentra en abundancia en la naturaleza,
principalmente como constituyente del agua. Además,
almacena mayor cantidad de energía por unidad de peso
(33,3 kWh/kg) que cualquier otra sustancia y su combustión
produce agua, sin contaminar el ambiente. Por otra parte,
puede almacenarse fácilmente como gas comprimido (~200
38
bar), como líquido a bajas temperaturas (-253 ºC) o como
hidruro metálico formando estructuras sólidas. El hidrógeno es
también fácilmente transportable por tuberías y se puede usar
directamente en quemadores o motores produciendo calor
por combustión limpia, o convertir directamente su energía
química en electricidad en dispositivos electroquímicos,
conocidos como celdas de combustible, en un proceso de
alta eficiencia.
Puesto que el hidrógeno no se encuentra libre en la
naturaleza, se debe gastar energía para producirlo, tal como
en el caso de la electricidad. El hidrógeno no es una fuente
energética sino un intermediario entre la fuente primaria y el
dispositivo de conversión de energía donde se lo utilice, i.e., es
un vector o portador de energía. Por tanto, para una
utilización masiva del hidrógeno en sistemas sostenibles de
energía se lo debe producir a bajo costo.
En
sistemas
sostenibles
complementación
de
de
energía,
dispositivos
de
la
necesaria
funcionamiento
intermitente, tales como convertidores solares fotovoltaicos o
turbinas eólicas, puede lograrse en base a la producción de
hidrógeno mediante electrólisis de agua fuera de las horas de
pico, esto es, en base a la conversión de energía eléctrica en
energía química del hidrógeno (Fig. 1). El hidrógeno producido
y convenientemente almacenado, en alguna de las formas
39
ya descriptas, puede posteriormente transportarse al centro
de consumo, donde su combustión térmica produce calor y
agua, aunque también se genera algo de NOx si se utiliza aire
como comburente, o alternativamente, alimentar a celdas de
combustible produciendo directamente electricidad y agua,
que vuelve al ambiente, sin emisión de contaminantes. De
este modo, el ciclo del hidrógeno constituye un sistema
cerrado, a diferencia del ciclo de combustibles fósiles (Fig. 1),
ya que el combustible se regenera. Cabe también señalar
que, alternativamente, con el excedente de electricidad se
pueden cargar baterías electroquímicas de tecnología de
avanzada,
cuya
energía
puede
utilizarse
necesario.
Figura 1. Sistemas de energía.
40
cuando
sea
En cada una de las etapas de conversión de energía del ciclo
del hidrógeno se encuentran involucrados dispositivos, en su
mayor parte electroquímicos, tales como electrolizadores,
almacenadores de hidrógeno, celdas de combustible y
baterías. Para alcanzar alta eficiencia de conversión y
máxima velocidad de drenaje de corriente en los dispositivos
electroquímicos se requiere minimizar las pérdidas de energía
de los procesos que tienen lugar. De ahí, la necesidad de
desarrollar nuevos materiales de electrodo de composición y
estructura superficial adecuadas para optimizar los procesos
de
conversión
y
almacenamiento
de
energía.
Se
ha
producido en este aspecto un gran salto adelante mediante
estudios combinados de cinética electroquímica, ciencia de
materiales y ciencia de superficies, que han permitido la
comprensión de procesos electroquímicos a nivel atómico y
posibilitado establecer la correlación entre la nanoestructura
superficial y la composición química del material de electrodo
con su actividad catalítica y selectividad para una reacción
particular [2]. A través de estos estudios se han podido
establecer bases racionales para el diseño y fabricación de
materiales
nanoestructurados,
particularmente
nanocatalizadores, de óptimo comportamiento en sistemas
avanzados de conversión y almacenamiento electroquímicos
de energía en base a tecnologías de hidrógeno. Estas
41
tecnologías comprenden la producción, almacenamiento y
combustión del hidrógeno.
2.3
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
Existen diversos métodos de producción de hidrógeno:
reformado de gas natural, alcoholes y
productos de
gasificación de la hulla, electrólisis del agua, termólisis y
procesos termoquímicos, fotoquímicos y fotobiológicos. De
todos ellos, la electrólisis del agua y el reformado de gas
natural son los únicos métodos que han alcanzado un alto
grado de desarrollo y competitividad para aplicarse a la
producción de hidrógeno en gran escala.
El reformado de gas natural es, al presente, el método más
económico para la producción de hidrógeno, pero tiene la
desventaja, anteriormente mencionada, de la emisión de
dióxido de carbono, el cual debe ser removido por
procedimientos complejos. Sin embargo, si el proceso global
incluye
la
combustión
electroquímica
en
celdas
de
combustible del gas rico en hidrógeno producido, se logra
reducir a un tercio la emisión de contaminantes.
Las tecnologías avanzadas de electrólisis del agua, ya sea a
baja (75-85ºC, electrolito alcalino o de polímero sólido) o a
alta temperatura (1000ºC, electrolito de óxido sólido), son
42
procesos limpios con rendimientos superiores al 85-90 %. Las
investigaciones actuales se orientan hacia nuevos conceptos
en diseños de electrodos y mejoras en los materiales de celda,
para bajar costos y aumentar la eficiencia, confiabilidad y
durabilidad del proceso. La descripción detallada de las
diversas tecnologías de producción de hidrógeno y de los
materiales empleados es vasta y no se contempla en esta
revisión. El estado actual del arte en esta área se describe en
una excelente revisión [3].
El costo de producción de hidrógeno es, al presente y según
la fuente primaria utilizada, aproximadamente dos a tres
veces superior al de la gasolina. Debe recordarse que al costo
de producción debe sumarse u$s 6-8 por GJ de energía
producida
por
los
gastos
adicionales
de
compresión,
almacenamiento, transporte y distribución local de hidrógeno
gaseoso. Sin embargo, si se tiene en cuenta que la eficiencia
de conversión de hidrógeno a electricidad en celdas de
combustible
es,
al
menos,
tres
veces
mayor
que
la
correspondiente a la combustión térmica de la gasolina, surge
que el hidrógeno sería competitivo en costo con los
combustibles actuales, tales como gasolina y gasoil. Esta
situación resulta más favorable al hidrógeno si se tiene en
cuenta el costo del daño ambiental derivado del uso de
combustibles fósiles fluidos [4].
43
2.4
ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
Se ha señalado anteriormente que en sistemas sostenibles de
energía en base a hidrógeno, este combustible debe
almacenarse para cubrir las diferencias diarias y estacionales
entre la disponibilidad de la fuente primaria de energía y la
demanda. Los tanques de acero clásicos permiten almacenar
hidrógeno comprimido usualmente a aproximadamente 200
bar. El uso de cilindros de aluminio reforzado con fibras de
carbono posibilita aumentar la cantidad de hidrógeno
almacenado de 1 % a 4 % con respecto al peso del
recipiente.
También
se
han
desarrollado
materiales
compuestos reforzados con fibras de carbono que permiten
fabricar tanques que soportan presiones de 600 bar y se llenan
hasta a 450 bar para uso regular [5]. Para prototipos de
vehículos a hidrógeno se han desarrollado más recientemente
tanques de nuevos materiales compuestos livianos que
operan entre 350 y 700 atmósferas y que han sido certificados
según la norma ISO 11439 (Europa) [6].
El almacenamiento de hidrógeno como líquido resulta
particularmente
atractivo
para
algunas
aplicaciones
(transporte aéreo y espacial) por la mayor densidad de
energía volumétrica (2,4 kWh/l) respecto a la del hidrógeno
comprimido (0,6 kWh/l a 170 bar). El almacenamiento
44
criogénico presenta, sin embargo, la desventaja que el
proceso de licuefacción del hidrógeno (temperatura de
condensación -253 °C a 1 bar) y su mantenimiento insumen
35-40 % de su contenido energético. De ahí, que se hayan
desarrollado nuevas técnicas de licuefacción y sistemas de
almacenamiento
a
baja
temperatura
superaislados,
particularmente para la tecnología espacial [5].
La aplicación de la nanotecnología al almacenamiento de
hidrógeno en estructuras sólidas ha conducido a desarrollos
muy promisorios. Así, materiales que ofrecen una gran área
específica,
tales
como
carbón
activado,
carbono
nanoestructurado y nanotubos de carbono son sustratos
adecuados para la fisisorción de hidrógeno, donde se ponen
en juego fuerzas de van der Waals. El interés en estos
materiales surge del hecho que en sólidos porosos con
capilares de diámetro del orden de magnitud del de la
molécula de hidrógeno (0,41 nm), los campos de potencial de
paredes opuestas se superponen, lo cual resulta en un
aumento de las fuerzas atractivas que actúan sobre el
hidrógeno adsorbido en comparación con las de una
superficie plana de carbono [6].
Cabe destacar que sobre carbono grafítico nanoestructurado
a la temperatura de nitrógeno líquido (-196 ºC), la cantidad
de hidrógeno adsorbido reversiblemente es 1,5 % en masa
45
para
un
área
específica
de
1000
m2/g. Para grafito
nanoestructurado sometido a 80 h de tratamiento en un
molino de bolas de alta energía a temperatura ambiente en
una atmósfera de hidrógeno de 10 bar se consigue adsorber
hasta 0,96 átomos de hidrógeno por átomo de carbono (7,4 %
en masa). Sin embargo, el 80 % del hidrógeno se desorbe
solamente a temperaturas superiores a 600 º C [6].
Se sigue trabajando activamente en este campo, ya que la
fisisorción de hidrógeno presenta las ventajas de la baja
presión de operación, el diseño simple del sistema de
almacenamiento y el costo relativamente bajo de los
materiales de construcción. Por el contrario, se tienen las
desventajas de la baja masa de hidrógeno almacenado
respecto a la masa y volumen del contenedor y de las
temperaturas bajas de operación requeridas.
Otro procedimiento que ha recibido atención preferente es el
almacenamiento del hidrógeno en aleaciones metálicas bajo
la
forma
de
hidruro.
hidruración/deshidruración
son
Las
reacciones
procesos
reversibles
de
que
permiten absorber y desorber hidrógeno por variación de la
temperatura y presión [7]. El interés de este método de
almacenamiento se basa en que ciertos metales y aleaciones
pueden
acomodar
intersticialmente
más
átomos
de
hidrógeno que los correspondientes al mismo volumen de
46
hidrógeno líquido. Así, el hidruro de composición LaNi 5H6 tiene
una densidad de energía volumétrica de 3,3 kWh/l que supera
a las del hidrógeno líquido e hidrógeno comprimido, como así
también a la del metano a 170 bar (1,7 kWh/l), aunque es
más baja que los 8.8 kWh/l que provee la gasolina (Tabla 2).
Para algunas aplicaciones donde el espacio disponible para
el tanque de combustible está limitado, como en el caso de
los automóviles, el almacenamiento de hidrógeno como
hidruro metálico en estructuras sólidas constituye así una
alternativa confiable y segura.
Tabla 2: Densidades de energía de combustibles
Durante la transformación de fase que ocurre en el proceso
de
hidruración,
cantidades
de
los
hidruros
hidrógeno
pueden
a
47
absorber
presión
grandes
constante.
Las
características de la adsorción y desorción de hidrógeno, e.g.,
la presión de equilibrio, la cinética del proceso, etc., se
pueden ajustar “a medida” por sustitución parcial de los
elementos constituyentes de la red del material formador del
hidruro. De este modo, se han diseñado y preparado
compuestos intermetálicos basados en LaNi 5 y ZrCr2, capaces
de absorber y desorber hidrógeno a presiones cercanas a 1
atm y temperatura ambiente. Así, se han desarrollado
aleaciones de multicomponentes optimizadas en cuanto a su
composición
y
estructura
con
alta
capacidad
de
almacenamiento de hidrógeno, tales como Zr0.9Ti0.1CrNi y
MmNi3.5Co0.8Mn0.4Al0.3 (Mm: mischmetal = La, Ce, Pr, Nd) [8-10].
Las aleaciones desarrolladas presentan características de
estabilidad y vida útil que posibilitan también su uso como
electrodo negativo en baterías alcalinas recargables de
níquel-hidruro metálico [11]. Estas baterías tienen una alta
energía específica ( 80-100 Wh/kg), alta densidad de energía
volumétrica (200 Wh/l), larga vida bajo ciclado de carga–
descarga y son ecocompatibles. Para la optimización de estos
sistemas se requieren todavía avances en algunos aspectos
relacionados principalmente a características del electrodo
de hidruro metálico, tales como aumentar la capacidad de
absorción de hidrógeno durante la carga y mejorar la cinética
de
los
procesos
de
hidruración/deshidruración.
48
Resulta
también de interés para el almacenamiento de hidrógeno
desde la fase gaseosa el empleo de hidruro de magnesio o de
alguno
de
sus
compuestos
intermetálicos
preparados
mediante el aleado mecánico con fases catalíticas en molino
de bolas que produce un polvo muy fino de compuesto
nanoestructurado que permite disminuir la temperatura de
desorción a un valor del orden de los 200 °C o aún menor, con
las correspondientes presiones de equilibrio mayores que la
presión atmosférica, y mejora también significativamente la
correspondiente cinética [6]. Por otra parte, los hidruros
complejos, tales como LiBH4 con 18 % de hidrógeno en masa,
son promisorios como nuevos compuestos almacenadores
con
altas
densidades
gravimétrica
y
volumétrica
de
hidrógeno.
2.5
COMBUSTIÓN ELECTROQUÍMICA DE HIDRÓGENO
Celdas de combustible
La forma más eficiente para utilizar la energía química del
hidrógeno es su conversión directa a electricidad en celdas
de combustible [2]. Estos dispositivos operan con alta
eficiencia de conversión no limitada por la restricción de
Carnot, ya que no existen etapas intermedias de conversión
de calor a trabajo mecánico. En una celda de combustible,
49
los reactivos (hidrógeno y oxígeno del aire) alimentan a los
correspondientes
electrodos,
constituidos
por
materiales
porosos catalizados que se encuentran en un electrolito
adecuado, estableciéndose una diferencia de potencial que
mantiene un flujo de electrones, esto es, una corriente
eléctrica, que puede efectuar trabajo útil. Las reacciones
anódica y catódica son las siguientes:
La
H 2 o 2H 2e (1)
1/2 O 2 2H 2e o H 2 O
(2)
reacción
global
de
combustión
electroquímica
de
hidrógeno puede escribirse conforme a:
H 2 1/2 O2 o H 2 O electricid ad
(3)
En la celda se genera también una cierta cantidad de calor
debido al cambio entrópico (T'S) asociado a la reacción de
combustión electroquímica del hidrógeno, por lo cual la
eficiencia teórica de conversión a electricidad es algo inferior
al 100 %. De este modo, para la celda de combustible de
hidrógeno/oxígeno, la eficiencia máxima intrínseca es de 91 %
a 150 °C. En la práctica, cuando se drenan corrientes
apreciables existen otras pérdidas de energía, que se
manifiestan
como
calor
liberado,
50
conocidas
como
sobrepotenciales, asociadas a la irreversibilidad de las
reacciones que ocurren en la celda, esto es, procesos de
transferencia
de
carga
y
reacciones
asociadas
y
de
transporte de materia, y a caídas óhmicas, que disminuyen la
eficiencia
práctica
a
valores
de
50-70
%,
según
las
condiciones de operación. Estas características determinan
que las celdas de combustible sean útiles también como
sistemas
de
cogeneración
de
electricidad
y
calor,
alcanzándose en este caso eficiencias totales de 80-85 %. El
otro producto es agua, que no contamina el ambiente.
Además, las celdas de combustible carecen de partes
móviles, por lo que funcionan silenciosamente y sin desgaste
mecánico.
Los distintos tipos de celda de combustible actuales se
clasifican por el tipo de electrolito empleado, que define la
temperatura de operación de la celda. Así, existe un amplio
espectro
de
celdas
que
utilizan
distintos
electrolitos:
membrana de intercambio de protones (60-80 °C), álcali
acuoso (80 °C), ácido fosfórico (190-200 °C), carbonato
fundido (650 °C) y óxido sólido (700-1000 °C). Cabe destacar
que en los últimos años se ha prestado una atención
preferente a las celdas que utilizan alcoholes, tales como
metanol y etanol, como combustible. Estos alcoholes son
sustancias parcialmente oxigenadas con alto contenido de
51
hidrógeno que poseen densidades de energía que alcanzan
el 50-60% de la correspondiente a la gasolina, y que al ser
líquidas a temperatura ambiente constituyen una forma de
almacenamiento de hidrógeno segura y de fácil manejo, muy
atractiva para aplicaciones en el transporte vehicular. En esta
revisión se hará referencia, en particular, a las celdas de
tecnología de membrana de intercambio de protones (PEM) y
a las celdas de óxido sólido, que son las que han alcanzado al
presente un alto grado de desarrollo y la competitividad
necesaria para su utilización en generación descentralizada
de electricidad y en el transporte vehicular.
Electrodos y nanocatalizadores de celdas de combustible de
temperaturas bajas e intermedias
El diseño del electrodo debe cumplir con el requisito de
minimizar las pérdidas de energía extrínsecas de la celda de
combustible, optimizando los procesos de transporte de
materia y de transferencia de carga. En este aspecto, la
estructura del electrodo juega un papel fundamental en el
proceso
de
producción
de
electricidad.
Así,
se
han
desarrollado electrodos con estructuras macro y microporosas
con una alta disponibilidad de sitios de contacto triple de las
fases
gaseosa
(electrodo),
(reactivo),
que
permiten
líquida
(electrolito)
aumentar
52
y
sólida
notablemente
la
velocidad del proceso de transporte de materia en las celdas
que emplean reactivos gaseosos al disminuir en varios órdenes
de magnitud el espesor de la película de difusión con
respecto al correspondiente a electrodos planos.
La introducción de politetrafluoretileno (PTFE) hidrofóbico en
los
sistemas
de
baja
temperatura
ha
simplificado
la
fabricación de estructuras porosas de difusión de gas con sitios
de contacto trifásico estables no inundables por electrolitos
acuosos, e.g., ácido fosfórico. Los caminos de conducción
electrónica son proporcionados por sustratos en base a polvos
metálicos o de carbono sinterizados (o a los denominados
“carbon paper” y “carbon cloth”) y, para reducir aún más la
resistencia óhmica, se incorpora usualmente a la estructura
una malla metálica [2,12].
Para las reacciones electródicas de interés en la conversión
de energía a temperaturas bajas e intermedias se requieren
electrocatalizadores para aumentar la velocidad de la
reacción de transferencia de carga. Para la mayoría de estas
reacciones los mejores electrocatalizadores son metales
nobles, tales como Pt, Ru, Pd y otros. De ahí, que se realicen
esfuerzos para encontrar sustitutos adecuados de bajo costo
de estos materiales, tales como complejos macrocíclicos
metálicos (porfirinas, ftalocianinas, etc.) fijados sobre grafito,
aunque los resultados hasta ahora no son completamente
53
satisfactorios. Por lo tanto, se ha tratado de utilizar más
eficazmente a los metales nobles preparándolos con una
nanoestructura adecuada que presente una mayor actividad
catalítica y vida útil. Así, se han desarrollado distintos métodos
para la preparación de electrocatalizadores de tamaño de
partícula del orden del nanometro, de modo de ofrecer una
alta área superficial y una morfología apropiada, que se
dispersan sobre soportes conductores y que han permitido
obtener altos rendimientos en reacciones de conversión de
energía a valores de carga de nanocatalizador tan bajos
como 0,05 mg/cm2. Estudios recientes han mostrado la
influencia, además de las variables ya citadas, del tamaño de
la nanopartícula del metal y de las interacciones metalsoporte
sobre
la
actividad
de
los
electrocatalizadores
dispersados [2].
Sin
embargo,
existen
todavía
pérdidas
de
energías
importantes asociadas a problemas de electrocatálisis de las
reacciones electródicas que disminuyen la eficiencia de
conversión a electricidad. Para reducir estas pérdidas se
requiere el desarrollo de electrocatalizadores selectivos con
nanoestructuras superficiales de alta actividad catalítica que
permitan minimizar las pérdidas de energía relacionadas con
los
sobrepotenciales
de
electrodo,
principalmente,
los
correspondientes a la electroreducción de oxígeno y a la
54
electrooxidación de metanol y de etanol, y así conducir los
procesos de conversión de energía a velocidad y eficiencia
máximas. Al respecto, investigaciones realizadas en los últimos
años con electrodos de monocristales con superficies bien
definidas y caracterizadas a nivel atómico con modernas
técnicas de análisis de superficies, tales como LEED, AES, TEM,
STM, etc., permitieron la realización de estudios de procesos
electrocatalíticos de alta confiabilidad, los cuales muestran
que su actividad catalítica depende fuertemente de la
nanoestructura superficial, particularmente, de la orientación
cristalográfica de los sitios activos y de la presencia de
defectos. Asi, se ha demostrado recientemente que la
electroreducción de oxígeno en ácido perclórico 0,1 M a 60 º
C resulta favorecida sobre superficies (111) de Pt3Ni [13].
En el diseño y construcción de electrodos de alta
tecnología, uno de los mayores desafíos consiste en depositar,
sobre
soportes
electrocatalizador
requerida, tal
adecuados,
nanopartículas
del
dispersadas con la estructura superficial
como
la
determinada
en
estudios
con
electrodos de monocristales de baja área superficial, para un
óptimo comportamiento en operación. Es también crucial la
determinación del tamaño óptimo de las nanopartículas para
una reacción particular, usualmente entre 2 y 5 nm, ya que
por debajo de 1 nm la mayor parte de los átomos se
55
encuentran en la superficie del nanocatalizador y puede
disminuir la actividad catalítica como consecuencia de la
pérdida del carácter “metálico” asociado a los átomos en el
seno del metal.
Las superficies de las nanopartículas se pueden
describir como una serie de pequeños dominios locales (111) y
(100) conectados por sitios cuyos átomos tienen un bajo
número de coordinación. De este modo, debido al pequeño
tamaño de las nanopartículas se tiene un ordenamiento
complejo de terrazas, escalones, esquinas, etc., que exhiben
diferentes planos cristalográficos. La respuesta característica
de los sitios superficiales, ordenados en modos diferentes, se
puede analizar comparándola con la de electrodos de
superficies escalonadas, los cuales consisten de una sucesión
regular de terrazas con una determinada simetría separada
por escalones monoatómicos con una diferente simetría
controlada [14].
Se debe señalar en esta línea de trabajo un desarrollo
reciente de nuestro grupo de trabajo del INIFTA que permite
obtener nanopartículas de Pt facetadas sobre soportes
conductores mediante la aplicación de electrólisis pulsante a
alta frecuencia en soluciones conteniendo complejos del
metal [15]. Se determinó que la respuesta voltamperométrica
de las nanopartículas se aproximaba a la de superficies
56
escalonadas de monocristales de Pt con terrazas angostas
(111). Los estudios posteriores de caracterización de los
electrodepósitos de Pt mediante las técnicas de STM, TEM y
SEM revelaron la presencia de nanopartículas de Pt altamente
facetadas con orientación cristalográfica preferente (111), las
cuales mostraron una actividad catalítica para la reacción de
electroreducción de oxígeno que era superior a la de
nanopartículas de Pt policristalino soportadas sobre carbón
comerciales.
Por otra parte, el estudio del comportamiento a 60 ºC
de una celda de combustible PEM de hidrógeno/oxígeno que
utilizaba
electrodos
porosos
de
difusión
de
gas
con
nanopartículas de Pt facetadas tipo (111) incorporadas en el
cátodo, mostró un rendimiento superior al de una celda con
nanopartículas de Pt policristalino altamente dispersadas
sobre soportes carbonosos [16]. El mejor comportamiento en
operación de la celda de combustible con nanopartículas de
Pt facetadas tipo (111) se debe a que la presencia de este
tipo de nanopartículas en el cátodo favorece la ruta directa
de 4 electrones en el proceso global de electroreducción de
oxígeno, a través de la disminución del efecto de bloqueo de
la superficie del electrodo por intermediarios peroxídicos
producidos durante la reacción. De este modo, a través de
este tipo de investigaciones, se pueden diseñar racionalmente
57
electrodos de alta tecnología para uso en celdas de
combustible de avanzada.
Celdas de combustible de tecnología PEM
En los últimos años se han producido avances importantes en
el desarrollo de celdas de combustible de hidrógeno/oxígeno
y de metanol/oxígeno que emplean la tecnología de
membrana de intercambio de protones, con la cual se
alcanzan eficiencias de conversión y densidades de potencia
altas. Entre estos avances se deben destacar: i) el desarrollo
de membranas fluorsulfónicas y de polibenzoimidazol dopado,
ii) la reducción en dos órdenes de magnitud de la carga de Pt
en los electrodos mediante la utilización de nanopartículas
soportadas
en
carbón
de
alta
área
especifica
y
el
impregnado de la capa activa del electrodo con electrolito
de conducción protónica para extender la zona de reacción,
iii) el desarrollo de ensambles electrodo-membrana-electrodo
eficientes, que han permitido alcanzar altas densidades de
corriente superiores a 1 A/cm2 [2,12]. Estas mejoras han
posibilitado una sustancial reducción del costo por kilovatio de
potencia, lo cual permite la aplicación de las celdas PEM
como fuente de potencia para vehículos eléctricos y una
amplia variedad de sistemas portátiles.
58
Pese a estas mejoras, para una introducción masiva de las
celdas de combustible PEM en el mercado, debe bajarse aún
más el costo de producción que en la actualidad es de
aproximadamente u$s 1800/kW, donde el 40% de ese valor
corresponde a la manufactura del ensamble electrodomembrana-electrodo [12]. De ahí la importancia del diseño y
construcción de una estructura adecuada del ensamble que
permita bajar el costo de fabricación, manteniendo el nivel
de performance. El alcance de este objetivo constituye un
desafío singular en la aplicación de la nanotecnología a la
conversión electroquímica de energía , ya que la optimización
de la estructura del ensamble requiere arquitecturas en la
escala del nanometro que proporcionen caminos adecuados
para el transporte molecular eficiente de los reactivos y
productos hacia y desde la interfase nanocatalizadorelectrolito. Por otra parte, la capa activa que contiene el
nanocatalizador
debe
construirse
cuidadosamente
para
mantener interfases múltiples en contacto íntimo (reactivos en
fase gaseosa, fase metálica catalítica y fase electrolítica) y
debe poseer nanoporos y límites de fase para el transporte de
reactivos
gaseosos.
performance
y
Además,
larga
vida
para
útil,
las
mantener
una
nanopartículas
alta
del
electrocatalizador deben conservar su actividad específica y
estructura superficial durante todo el tiempo de operación.
59
Esto requiere el conocimiento y la comprensión de los
mecanismos a nivel atómico de los fenómenos que provocan
la degradación de la capa activa, tales como, entre otros, el
sinterizado y la disolución de las nanopartículas, para
establecer
las
bases
que
posibiliten
el
desarrollo
de
nanoestructuras superficiales del electrocatalizador estables.
Celdas de combustible de oxidación directa de alcoholes
Las
celdas
constituyen
de
combustible
sistemas
que
generadores
emplean
de
alcoholes
electricidad
muy
atractivos, ya que permiten operar a temperaturas bajas con
combustibles líquidos fáciles de almacenar manteniendo
performances
satisfactorias.
Sin
embargo,
presentan
la
desventaja de que las sustancias orgánicas se adsorben
disociativamente sobre el ánodo de Pt originando residuos
fuertemente adsorbidos tipo CO que, en el caso de metanol,
inactivan el electrodo o bien resulta difícil la ruptura de la
unión C-C, como en el caso del etanol, por lo que no se logra
su oxidación total a CO2, con la consiguiente pérdida de
energía. Por otra parte, la electroreducción de oxígeno que
ocurre en el cátodo tiene una cinética lenta y compite con la
oxidación de alcohol, que llega desde el ánodo a través de la
membrana conductora.
60
En el caso de la oxidación de alcoholes, como así también en
la de combustibles provenientes del proceso de reformado
con trazas de CO, la cinética de remoción de la especie CO
adsorbida sobre Pt es lenta y se facilita por la presencia de
especies OH adsorbidas adyacentes. De ahí, que el metal Ru
sea el componente más eficiente de catalizadores binarios ya
que permite la formación de especies OH adsorbidas a bajos
potenciales [2]. Las investigaciones actuales están orientadas
al desarrollo de nanocatalizadores de Pt/Ru y de otras
aleaciones ternarias como Pt/Ru/Co y Pt/Ru/W, tolerantes al
CO. El desempeño de los nanocatalizadores depende de su
morfología, parámetros de la red metálica, orientación
cristalográfica, tamaño de partícula, etc.
La oxidación de etanol sobre Pt ha sido ampliamente
estudiada estableciéndose que sólo una pequeña cantidad
del compuesto adsorbido produce CO2, mientras que, por el
contrario, hay una alta producción de acetaldehido y ácido
acético debido a la dificultad de la ruptura de la unión C-C
[17]. De este modo, se han propuesto aleaciones binarias y
ternarias en base a Pt, donde cada componente contribuye
ya sea por: i) proporcionar una distancia Pt-Pt adecuada para
favorecer la adsorción y ruptura de la molécula de etanol, ii)
proporcionar especies oxigenadas para facilitar la oxidación
del adsorbato tipo CO, o iii) modificar la estructura electrónica
61
del Pt para debilitar la unión Pt-adsorbato [18]. En un estudio
teórico reciente sobre la influencia de la estructura superficial
del Pt sobre la oxidación del etanol se ha encontrado que la
superficie abierta (100) es la faceta más favorable para la
oxidación total a CO2 a bajos cubrimientos superficiales [19].
Las
investigaciones
realizadas
en
el
área
han
demostrado que los catalizadores más eficientes para la
oxidación directa de etanol están constituidos por materiales
nanoestructurados en base a combinaciones ternarias de
PtMxMy, donde Mx y My: Sn, Rh, Ir, Ru, Fe, Co, Ni, etc. En
particular, nanopartículas de PtSnRh, con relación atómica
3:1:1, soportadas sobre carbono y de tamaño entre 3 y 5 nm
han mostrado un alto rendimiento y estabilidad en operación
[20]. En la actualidad, se presta también una atención
preferente a la influencia de la orientación cristalográfica de
las facetas expuestas de los nanocatalizadores y del tamaño
de partícula sobre su actividad catalítica [14].
Con respecto a la electroreducción de oxígeno se ha
encontrado que algunos metales de transición, tales como Fe
y Co, inhiben la formación de especies oxigenadas y, por lo
tanto, mantienen la ocupación de la banda d del Pt,
favoreciendo el proceso global de electroreducción [2]. El
aumento de la actividad catalítica con respecto a la del Pt
62
puro se ha explicado también en base a la favorable
distancia interatómica Pt-Pt [21].
Las investigaciones actuales en esta línea de trabajo están
dirigidas al desarrollo de nuevos materiales nanoestructurados
que
posibiliten
una
combinación
exitosa
entre
sus
propiedades intrínsecas y sus propiedades superficiales. Así, se
ha encontrado que aleaciones binarias de PtCo 3:1 y de PtFe
3:1 bajo la forma de nanopartículas de tamaño promedio 3
nm dispersadas sobre soportes conductores muestran un
excelente
comportamiento
en
la
electroreducción
de
oxígeno, al tiempo que exhiben una adecuada tolerancia al
metanol proveniente del ánodo [22].
Se trabaja también actualmente en desarrollar nuevas
membranas de intercambio de protones que permitan
trabajar a temperaturas más altas que las permitidas con la
clásica de Nafion® para favorecer la cinética de remoción
del CO. Se han obtenido resultados satisfactorios con el uso de
membranas de Nafion® modificadas y de membranas
alternativas como las de polibenziimidazol (PBI) dopadas con
ácido fosfórico.
Celdas de combustible de óxido sólido
Las celdas de óxido sólido convencionales son dispositivos
electroquímicos construídos con óxidos cerámicos que se
63
diseñan para operar en un amplio intervalo de temperatura
(700-1000 ºC). La alta temperatura de operación posibilita que
la cinética de las reacciones electroquímicas involucradas sea
rápida y, de este modo, para alcanzar altas densidades de
potencia no se requieren electrocatalizadores de alto costo
como los metales nobles, aunque se presentan todavía
algunos problemas relacionados con la estabilidad de los
materiales. Por otra parte, debido a que el proceso
electroquímico implica el transporte de iones O 2- del cátodo al
ánodo, en lugar del transporte de protones en sentido
opuesto
como
en
las
celdas
de
combustible
de
hidrógeno/oxígeno convencionales, resulta posible oxidar
también hidrocarburos fósiles livianos como el gas natural o los
provenientes de la biomasa, como el biogas. De este modo, la
celda de óxido sólido constituye un sistema puente entre la
actual tecnología de producción de electricidad en base a
fuentes fósiles y la futura tecnología en base a hidrógeno.
Las celdas de óxido sólido clásicas operan a 900-1000 ºC y
usan electrolitos cerámicos, usualmente ZrO2 estabilizado con
Y2O3 en su fase cúbica, que es conductora por ion O2- a
temperaturas altas. La reacción de reducción de O2 a O2- se
produce en el cátodo y se cataliza usualmente con
manganitas, e.g., (La;Sr)MnO3 con estructura tipo perovskita
[23]. En el ánodo se produce la oxidación del combustible y se
64
usan materiales de base Ni para catalizar el reformado
(interno) de CH4 a H2 y CO en presencia de H2O ó CO2 según:
CH4 + H2O o 3H2 + CO
(4)
CH4 + CO2 o 2H2 + 2CO
(5)
La aplicación de la nanotecnología a estos sistemas ha
permitido desarrollar celdas de óxido sólido diseñadas y
construídas con nanomateriales que permiten operar a
temperaturas intermedias
(500-700°C
). Se
emplean
electrolitos nanoestructurados de CeO2 dopado con Sm2O3,
Gd2O3 o Y2O3 y perovskitas de (La;Sr)(Ga;Mg)O3. En el cátodo
se usan cobaltitas, tipo (La;Sr)CoO3 o
favorecen
la
reducción
del
oxígeno
(Sm;Sr)CoO3, que
a
temperaturas
intermedias. Hasta ahora no se han encontrado materiales
completamente adecuados para el ánodo, ya que el
reformado
interno
requiere
altas
temperaturas.
En
consecuencia, se analizan nuevos conceptos, tales como
celdas que trabajan por oxidación directa de hidrocarburos
[24] o celdas de una cámara que trabajan con mezclas de
hidrocarburo y aire [25] y que usan
nanocatalizadores
selectivos
cada
para
las
reacciones
en
electrodo.
Usualmente, el combustible y el O2 (aire) están en cámaras
separadas (celdas de dos cámaras), pero el empleo de
65
celdas de una cámara tiene las ventajas de la simplificación
del diseño y la reducción del tamaño y peso, que redundan
en un menor costo, aunque hay pocos trabajos sobre el tema
[26]. En el ánodo, en lugar del reformado interno, se usa el O 2
del aire para producir la oxidación parcial del hidrocarburo,
que en el caso del CH4 es:
CH4 + ½O2 o 2H2 + CO
(6)
Avances recientes están relacionados con el desarrollo de
nuevos ánodos constituídos por un material compuesto
nanoestructurado de NiO y ZrO2-CeO2 con PdO, que cataliza
la oxidación del metano a temperaturas intermedias [23,27]. El
interés en estos nuevos ánodos se debe además a que los
materiales ZrO2-CeO2 resultan conductores mixtos (por O2- y e), produciéndose la reacción de oxidación del combustible
sobre toda la superficie del electrodo, a diferencia de los
conductores electrónicos donde el proceso ocurre sólo en los
sitios triples (ánodo/electrolito/gas). Con el desarrollo de estos
nuevos materiales de electrodo se han logrado alcanzar
densidades de potencia del orden de 0,1 W/cm2 a 600 ºC. De
este modo, el desarrollo de materiales nanoestructurados que
incluyen
nanocatalizadores
selectivos
66
posibilita
bajar
la
temperatura de operación de la celda de óxido sólido sin
comprometer la cinética electródica.
2.6 OPORTUNIDADES PARA LA APLICACIÓN DE
TECNOLOGÍAS DE HIDRÓGENO
Generación descentralizada
Las plantas descentralizadas de generación de electricidad
en base a fuentes primarias de energía renovables (eólica,
solar, hidráulica, etc.) pueden tener aplicaciones de alto
impacto económico-social en algunos paises de la región
iberoamericana de gran extensión territorial, particularmente,
Argentina, Brasil y México, como sistemas de abastecimiento
de electricidad en zonas rurales o aisladas, distantes de las
centrales eléctricas de base, si se tienen en cuenta las
pérdidas de energía y el alto costo de capital asociados con
la transmisión y distribución de electricidad por líneas de alta
tensión. Pero cualquier diferencia diaria o estacional entre la
generación de electricidad y su demanda ocasiona la
necesidad de disponer de sistemas de almacenamiento de
electricidad adecuados. De ahí, que las plantas generadoras
de
electricidad
deben
complementarse,
como
se
ha
señalado anteriormente, con baterías recargables avanzadas
o bien derivando parte de la energía producida durante los
67
periodos de baja demanda para electrolizar agua generando
hidrógeno, el cual puede posteriormente reconvertirse en
electricidad en celdas de combustible de alta eficiencia
durante las horas de alta demanda, falta de luz o ausencia de
viento. De este modo, las tecnologías de hidrógeno permiten
resolver el problema del almacenamiento de las energías
primarias y equilibrar el desfase entre generación y consumo.
Alternativamente, para generación dispersa, la tecnología de
celdas de combustible puede utilizarse para cogeneración de
electricidad, calor y vapor de agua, ya sea con fines
industriales o para uso doméstico (Fig. 2). En este caso, se
admite el uso de otros combustibles, aparte del hidrógeno,
tales como gas natural, biogas, metanol, etanol, cortes livianos
de petróleo, los cuales, en el estado actual de la tecnología,
deben ser previamente reformados en el caso de su utilización
en celdas de combustible de baja temperatura como las de
tipo PEM.
68
Figura 2. Planta de celda de combustible.
A nivel mundial, entre los desarrollos más recientes en sistemas
avanzados de conversión electroquímica de energía para
generación dispersa, se pueden mencionar:
i.- Generadores de electricidad (tecnología PEM) de potencia
entre 1 y 20 kW (Plug Power,Inc., EE.UU.) fabricados para uso
en redes de telefonía celular, estaciones de monitoreo y
protección catódica de redes de tuberías. Se ha estimado
que el mercado potencial de este nuevo nicho está en el
orden de varios millones de dólares.
ii.- Sistemas de cogeneración de electricidad y calor. Se
testean actualmente en EE.UU. y Alemania más de cien
unidades de celdas de combustible, desarrolladas por la
compañía RWE Fuel Cells para cogeneración doméstica de
69
electricidad y calor, con una eficiencia eléctrica de 30-40 % y
una eficiencia total de 80-84 %.
Transporte vehicular
Es un hecho bien conocido que en ciudades densamente
pobladas, una de las principales fuentes de contaminación
ambiental está constituida por las emisiones (gases tóxicos y
material particulado) provenientes de los escapes de los
motores de combustión interna de los vehículos de transporte.
Cada 160.000 km, el automóvil a gasolina promedio emite
1.300 kg de contaminantes orgánicos gaseosos, 1.250 kg de
monóxido de carbono y 85 kg de óxidos de nitrógeno, más
cantidades apreciables de material particulado. En este
aspecto, la introducción gradual de sistemas de celdas de
combustible de tecnología de avanzada para el reemplazo
de
los motores de combustión interna en la propulsión de
vehículos, ofrece las ventajas de un alto rendimiento,
funcionamiento silencioso y emisión nula de contaminantes (el
producto de reacción es generalmente agua), contribuyendo
así a la preservación del medio ambiente. Cabe también
mencionar que la alta eficiencia de conversión de las celdas
de combustible permite un aprovechamiento máximo de la
energía química contenida en los combustibles (hidrógeno,
70
biocombustibles, gas natural, etc.), asegurando de este modo
el uso racional de los recursos.
La tecnología PEM de celdas de combustible se aplica ya en
diversos
vehículos
eléctricos
prototipo
sin
emisión
de
contaminantes fabricados por las principales compañías que
dominan el mercado de automotores mundial. Si bien las
celdas de combustible PEM han alcanzado un alto grado de
desarrollo, la principal limitación para su aplicación masiva en
el transporte vehicular está relacionada con el sistema de
almacenamiento de hidrógeno. En el transporte vehicular no
sólo importa la energía específica (kWh/kg) y, en este caso, la
del hidrógeno es tres veces mayor que la de los hidrocarburos
líquidos que constituyen la gasolina (Tabla 2), sino también la
densidad de energía volumétrica (kWh/l), ya que interesa el
tamaño del tanque de combustible frente al tamaño total del
vehículo. De ahí, que además de fabricarse modelos que usan
como combustible hidrógeno comprimido a distintas presiones
se ha ensayado también el empleo de hidrógeno líquido y de
hidruros metálicos que poseen densidades de energía
volumétrica mayores.
Alternativamente, se ha planteado el uso como combustible
de alcoholes líquidos con alto contenido de hidrógeno, ya
que, por ejemplo, el metanol tiene una densidad de energía
volumétrica de 4,4 kWh/l frente a los 8,8 kWh/l de la gasolina,
71
esto es, se requiere un tanque de almacenamiento sólo dos
veces mayor. Por otra parte, si el metanol, previo reformado,
abastece una celda de combustible, la mayor eficiencia de
conversión de este dispositivo, aproximadamente tres veces
mayor que la de un motor de combustión interna, hace que
para
igual
autonomía
de
recorrido
sin
recarga
de
combustible, el tanque de almacenamiento de metanol sea
del orden o menor que el tanque de gasolina. Así, el vehículo
prototipo
Necar
5
(con
tecnología
PEM
de
Ballard),
desarrollado hace unos años, utiliza un sistema de celdas de
combustible
de
75
kW
abastecidas
con
hidrógeno
proveniente del reformado a bordo de metanol, y alcanza
una
velocidad
almacenamiento
máxima
de
de
150
metanol
km/h.
es
de
El
tanque
sólo
40
de
litros,
proporcionando una autonomía de 450 km, superior a la de
un vehículo de combustión interna a gasolina. Por otra parte,
emite menos del 10 % de las emisiones tóxicas de los motores
de combustión interna.
De todos modos, para evitar algunos problemas asociados al
uso de un reformador de metanol a bordo, otros fabricantes
han
privilegiado
el
desarrollo
de
vehículos
eléctricos
impulsados por celdas de combustible de muy alta eficiencia
y alimentación directa con hidrógeno comprimido a alta
presión. Al respecto, uno de los vehículos eléctricos que al
72
momento exhibe el mejor rendimiento, es el Honda FCX,
prototipo totalmente calificado para uso en ruta. Pesa 1.670
kg, su autonomía es de 430 km (hidrógeno a 350 bar) y
desarrolla una velocidad máxima de 150 km/h. La fuente de
potencia es una celda de combustible de 50 kW, con un
volumen de 33 litros y un peso de 48 kg. El excelente
rendimiento alcanzado se debe al empleo de una nueva
membrana de electrolito tipo C-H con grupos sulfonato, con
una conductividad eléctrica que es el doble de la de la
clásica membrana de Nafion® a -20 °C. El bajo peso de la
celda de combustible se ha logrado mediante la fabricación
de placas separadoras de metal estampado que ofrecen una
menor resistencia de contacto (1/4) y pesan un 20 % menos
que las placas de carbón convencionales.
En la temporada 2008-2009 Honda ha lanzado al
mercado, en California, una versión certificada de línea de
producción, denominada FCX Clarity, que se puede arrendar
por 3 años a u$s 600/mes. La fuente de potencia es una celda
de combustible de 100 kW de 57 litros de volumen y 67 kg de
peso que proporciona una autonomía de 410 km y una
velocidad máxima de 160 km/h. El vehículo también posee
una batería de ion litio como
fuente suplementaria de
potencia para capturar la energía de la desaceleración y del
frenado.
73
AGRADECIMIENTOS
Los
autores
agradecen
al
Consejo
Nacional
de
Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), a la Agencia
Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT), a
la Comisión de Investigaciones Científicas (CIC PBA) y a la
Universidad Nacional de La Plata (UNLP) por la financiacion
recibida. Se agradece también a los Dres. H.A. Peretti, N.B.
Walsoe de Reca y A.M. Castro Luna por la información
proporcionada.
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76
REMEDIACIÓN DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE EL USO
DE NANOTECNOLOGÍA
Consuelo Montes de Correa
Universidad de Antioquía (Colombia).
3.1
Los
INTRODUCCIÓN
problemas
de
escasez
del
agua,
fuentes
de
abastecimiento poco confiables y mala calidad del recurso
son tres grandes obstáculos para alcanzar el desarrollo
sostenible. Millones de niños mueren al año por falta de agua
o por la exposición a enfermedades relacionadas con ella. La
ONU pronostica que hacia 2025 más de la tercera parte de la
población mundial (es decir, más de 3.500 millones de
personas) afrontará serios problemas de escasez de agua. La
lucha por asegurar que toda la población tenga acceso al
agua potable ha sido consagrada en los Objetivos de
Desarrollo del Milenio de la ONU, al proponer que en 2015 se
reduzca a la mitad la cantidad de personas carentes de
acceso sostenible al agua potable. Según el Programa
77
Mundial de Evaluación de los Recursos Hídricos, lograrlo
significaría mejorar el abastecimiento de agua de 1.500
millones de personas.
El mundo se enfrenta a enormes desafíos en el cumplimiento
de las crecientes demandas de agua potable, así como de
los
suministros
disponibles
de
agua
dulce
que
están
disminuyendo debido a sequías prolongadas y el crecimiento
demográfico. Por otra parte, la creciente contaminación de
las aguas subterráneas y superficiales con una amplia
variedad de fuentes industriales, municipales y agrícolas ha
contribuído a reducir el suministro de agua dulce para uso
humano.
Aunque
la
naturaleza
de
los
problemas
de
contaminación puede variar, por lo general se deben a un
saneamiento inadecuado, las floraciones de algas por el
fósforo y el nitrógeno contenido en los desechos humanos y
animales, detergentes y fertilizantes, plaguicidas, productos
químicos, metales pesados, la salinidad causada por el riego
generalizado e ineficiente y las cargas de sedimentos
resultantes de la erosión del suelo.
Dada la importancia del agua potable y teniendo en cuenta
las preocupaciones sobre la viabilidad de las prácticas
actuales y de la creciente demanda del agua, existe una
clara
necesidad
de
desarrollar
78
nuevas
tecnologías
y
materiales
para
el
suministro
de
agua
potable.
La
nanotecnología se ha identificado como una tecnología que
podría desempeñar un papel importante para resolver o
mitigar muchos de los problemas relacionados con la
purificación y la calidad del agua. El desarrollo potencial de la
nanotecnología en este campo es en 3 áreas: Tratamiento y
remediación, censado y detección, prevención de polución.
El desarrollo se traduce en costos más bajos, mayor
sensibilidad (en el caso de sensores) y efectividad a la hora de
aplicar los métodos. La nanotecnología abarca la creación y
utilización de materiales, dispositivos y sistemas a nivel de
átomos y moléculas, que abarcan disciplinas como la
química, física, biología, ingeniería y ciencia de los materiales.
Los nanomateriales y nanoestructuras tienen dimensiones que
van desde 1 a 100 nm, y con frecuencia muestran
propiedades físicas, químicas y biológicas únicas como
resultado de su estructura, mayor superficie por unidad de
volumen
y
los
efectos
cuánticos
que
ocurren
en
la
nanoescala.
El rápido crecimiento de la nanotecnología ha estimulado
gran
interés
en
las
aplicaciones
ambientales
de
nanomateriales. En particular, su potencial de revolucionar
procesos convencionales de tratamiento de agua ha sido
anunciada recientemente. Los nanomateriales son excelentes
79
adsorbentes, catalizadores y sensores debido a su gran área
superficial
específica
y
de
alta
reactividad.
Más
recientemente, varios nanomateriales naturales y artificiales
también
han
demostrado
propiedades
antimicrobianas,
incluyendo quitosano, nanopartículas de plata (NAG), el TiO2
fotocatalítico, fulerol, nanopartículas acuosas de fulereno
(NC60), y los nanotubos de carbono (CNT). A diferencia de
desinfectantes
químicos
convencionales,
estos
nanomateriales antimicrobianos no son oxidantes fuertes y son
relativamente inertes en el agua. Por tanto, se espera que no
produzcan subproductos de desinfección nocivos. Si se
incorporan adecuadamente en los procesos de tratamiento,
tienen el potencial de sustituir o mejorar la desinfección por
métodos convencionales. Esto es de particular interés para las
regiones que no tienen acceso a un suministro confiable de
agua potable. Se prevé que los nanomateriales funcionales,
incluyendo aquellos con propiedades antimicrobianas, se
pueden aplicar a sistemas a pequeña escala no conectados
a una red central. También tendrían aplicación potencial
para
responder
a
emergencias
debido
a
eventos
catastróficos. Por ejemplo, cuando una inundación o un tifón
interrumpen el suministro de agua.
80
3.2
TECNOLOGÍAS EXISTENTES
Entre las áreas de aplicación de la nanotecnología para el
tratamiento
de
aguas
residuales
se
encuentran
las
nanopartículas utilizadas como adsorbentes potentes, en
algunos casos en combinación con partículas magnéticas
para facilitar la separación de partículas; nanopartículas
utilizadas como catalizadores para la industria química o
destrucción
de
los
contaminantes
fotoquímicos;
hierro
zerovalente nanométrico utilizado para la remoción de
metales y compuestos orgánicos en agua, y las membranas
de nanofiltración.
3.3
ADSORCIÓN DE LOS CONTAMINANTES
Los adsorbentes como el carbón activado y las resinas de
intercambio iónico se usan ampliamente en el tratamiento y
purificación de agua para remover contaminantes orgánicos
e inorgánicos. No obstante, el uso de nanopartículas puede
tener ventajas sobre los materiales convencionales debido a
la mayor área superficial de las nanopartículas por unidad de
masa. Además, las propiedades estructurales y electrónicas
únicas de algunas nanopartículas las hace adsorbentes
poderosos.
Muchos
materiales
81
tienen
propiedades
que
dependen del tamaño.
Las partículas de hematita con un
diámetro de 7 nm, por ejemplo, adsorbieron los iones Cu a
menores valores de pH que las partículas de 25 o 88 nm de
diámetro, lo que indica la singularidad de reactividad en la
superficie de partículas de óxidos de hierro con la disminución
del
diámetro.
Varios
tipos
de
nanopartículas
se
han
investigado como adsorbentes: partículas que contienen
metales, principalmente óxidos, nanotubos de carbono y
fulerenos, los nanomateriales orgánicos y zeolitas.
Para la eliminación de metales y otros iones inorgánicos, se
han
investigado
principalmente
óxidos
de
metales
nanométricos, y arcillas nanométricas naturales. Por otra
parte,
los
nanotubos
de
carbono
(CNTs)
oxidados
e
hidroxilados son buenos adsorbentes de metales. Esto se ha
encontrado para diversos metales como el Cu, Ni, Cd y Pb. La
adsorción de los compuestos organometálicos en CNT puros
de varias paredes se encontró que es más fuerte que para el
negro
de
carbón.
Los
nanomateriales
químicamente
modificados también han llamado mucho la atención, sobre
todo
materiales
nanoporosos
debido
a
su
superficie
excepcionalmente alta. Sin embargo, el tamaño de partícula
de
estos
materiales
no
está
en
el
nano-rango, pero
normalmente entre 10químicamente las nanopartículas. El TiO2 funcionalizado con
82
etilendiamina se ensayó para retirar metales aniónicos de las
aguas subterráneas.
Los nanotubos de carbono han atraído mucho la atención
como adsorbentes muy poderosos para una amplia variedad
de compuestos orgánicos en agua. Los ejemplos incluyen las
dioxinas, hidrocarburos aromáticos polinucleares (HAP), el DDT
y sus metabolitos, los PBDE, clorobencenos y clorofenoles,
trihalometanos, el bisfenol A y nonilfenol, ftalato ésteres,
colorantes,
pesticidas
(tiametoxam,
imidacloprid
y
acetamiprid) y herbicidas, tales como: los derivados de
Sulfuron, la atrazina y dicamba. Los polímeros nanoporosos
entrecruzados copolimerizados con nanotubos de carbón
funcionalizados tienen alta capacidad de adsorción para una
variedad de compuestos orgánicos, tales como p nitro fenol y
tricloroetileno. A diferencia del caso de los fulerenos, no se
observó histéresis indicando adsorción reversible.
Los fulerenos también han sido probados para la adsorción de
compuestos orgánicos. La adsorción depende en gran
medida del estado de dispersión de C60, que es virtualmente
insoluble en agua. Debido a que las formas C60 presentan
agrupaciones en el agua, hay espacios intersticiales dentro de
los agregados en los cuales los compuestos se pueden
difundir, lo que conduce a histéresis de adsorción y desorción.
83
Los fulerenos son sólo sorbentes débiles para una amplia
variedad de compuestos orgánicos (por ejemplo fenoles,
hidrocarburos aromáticos policíclicos, aminas), mientras que
son muy eficaces para la eliminación de los compuestos
organometálicos (por ejemplo, organo-plomo).
Zeolitas Nanocristalinas
Las zeolitas son sustancias cristalinas a base de aluminio, silicio
y oxígeno muy conocidas por sus aplicaciones petroquímicas
como catalizadores. Entre las propiedades más interesantes se
encuentran: gran área y estabilidad hidrotérmica. El área se
atribuye a la cantidad de poros que poseen. Aunque son de
tamaños muy grandes (1,000 a 10,000 nm, o 1
consideran nanomateriales. A nivel de investigación se
obtienen de 100 nm y ofrecen propiedades muy diferentes a
las de gran tamaño como mejor área y hasta 50% mayor
adsorción. En el tema de remediación las zeolitas tienen la
capacidad de atrapar los compuestos catiónicos como el
amonio y metales pesados por ejemplo
157
Cs y
90
Sr que son
elementos radioactivos y el MTBE que es un aditivo de
gasolinas. Es importante tener en cuenta que hoy día se
investiga en emulsiones que contienen zeolitas (SMZ).
84
Monocapas Autoensambladas en Soportes Mesoporosos
(Samms)
Las monocapas autoensambladas en soportes mesoporosos
(SAMMS) básicamente consisten en un cerámico donde se
depositan ordenadamente moléculas con grupos funcionales
alternados, generalmente el arreglo es en forma de panal de
abeja.
Su producción no es nada fácil y requiere de varios pasos
para obtener un buen arreglo. Las SAMMS son muy variadas
en el tipo de moléculas empleadas y por tanto, pueden
atrapar una infinidad de contaminantes en especial metales
de todo tipo desde los metales de transición hasta los
85
actínidos y lantánidos. Este tipo de técnicas sólo se han
llevado a nivel de laboratorio y pocas veces en plantas piloto.
Polímeros y dendrímeros
Los polímeros especialmente diseñados y dendrímeros se
explotan para la eliminación potencial
de metales y
compuestos orgánicos. Los dendrímeros son polímeros con
arreglos espaciales y formas determinadas, su arreglo es
altamente
manejable
propiedades
que
va
lo
que
a
tener
permite
la
establecer
las
macromolécula.
Los
dendrímeros están constituidos de un núcleo y ramificaciones
internas. Su diámetro está entre 2 a 20 nm y las formas más
comunes son conos, cuadrados y discos.
Algunos ejemplos de dendritas
Al igual que las SAMMS las dendrímeros poseen un uso muy
amplio que permite aplicaciones casi en cualquier campo
(hay
una
empresa
que
ofrece
más
de
40
tipos
de
dendrímeros), por ejemplo las poli(amidoaminas) PAMAM son
86
especialmente diseñadas para el tratamiento de aguas con el
fin de capturar los metales de transición.
Nanoparticulas Poliméricas
Las nanopartículas poliméricas son sustancias muy similares a
los surfactantes que poseen una cabeza y una cola, por tanto
son efectivas para formar micelas. La única diferencia con los
surfactantes es la forma como se sintetizan. El tipo de
molécula que se utiliza para la remediación de aguas son los
poliuretanos
polímeros
es
amfifílicos
que
(APU).
permite
La
importancia
reemplazar
los
de
estos
tradicionales
surfactantes utilizados en sistemas de “ Bombear y tratar
(pump and treat)”. Estas tecnologías cada vez van siendo más
implementadas para disminuir la ineficiencia de este tipo de
plantas.
Nanoparticulas Enzimáticas (SENs)
Las enzimas tienen un gran campo de acción en ciencias
como el biosensado, conversión química y bioremediación,
además de ser excelentes catalizadores (mucho mejores que
los sintéticos). Sin embargo, las enzimas tienen un período de
vida útil muy corto lo cual crea una gran desventaja respecto
a otros catalizadores. Las SENs consisten de enzimas rodeadas
87
de capas de silicio que evitan la descomposición de la
enzima. Los estudios de las SENs son muy recientes, la primera
de estas fue producida en 2003 a base de quimotripsina. El
proceso consiste de 3 etapas: modificación de la enzima, el
mezclado de los monómeros de silicio con la enzima y por
último hidrólisis para la deposición del silicio.
En cuanto a remediación estas enzimas actúan muy bien
degradando los compuestos recalcitrantes, es claro que para
un contaminante específico se deba utilizar una enzima
específica. Entre las características más importantes de las
enzimas cabe mencionar que
resisten variaciones de pH y
cambios de temperatura. Entre las más conocidas se
encuentran:
peroxidasa,
polifenol
oxidasa,
tirosina,
deshalogenasa, etc.
Polímeros Sintonizados
En la tecnología de polímeros sintonizados se pretende
sintetizar proteínas de la manera más organizada posible
utilizando técnicas de recombinación del ADN, el fin es
determinar tamaño, funciones, composición y orden dentro
de la proteína a sintetizar. Dichas modificaciones traen
consecuencias como solubilidad, forma de la proteína al
aumentar
la
temperatura,
cambios
88
moleculares
al
ser
sometidos a condiciones diferentes de pH, presión y otros.
Estos polímeros solo han sido sintetizados en laboratorio con el
fin de atrapar o bloquear metales en aguas residuales, tales
como cadmio y cobre. El ejemplo más relevante es la
proteína MerR la cual se creó para atrapar específicamente el
mercurio incluso en soluciones donde había presentes otros
metales.
Nanopartículas Magnéticas
Las nanopartículas magnéticas ofrecen ventajas con respecto
a las no-magnéticas porque pueden ser fácilmente separadas
del agua usando un campo magnético. La separación
usando
gradientes
magnetic
gradient
magnéticos
como
separation
(HGMS)
el
llamado
es
un
High
proceso
ampliamente usado en medicina y en procesamiento de
minerales. Esta técnica permite diseñar procesos donde las
partículas no solo remueven compuestos del agua sino que
también pueden ser removidas de nuevo, luego recicladas o
regeneradas.
Esta
estrategia
ha
sido
propuesta
nanopartículas de magnetita (Fe3O4
con
-Fe2O3)
and jacobsita (MnFe2O4) para la remoción de cromo (VI) de
aguas
residuales.
Los
nanotubos
de
carbón
han
sido
funcionalizados con nanopartículas magnéticas de hierro
89
para la remoción de compuestos aromáticos de agua y la
separación fácil del agua para reuso.
Fotocatálisis
Los métodos fotocatalíticos emplean reacciones activadas
por el sol para eliminar los contaminantes y microorganismos.
Estos incluyen el uso de nanopartículas de dióxido de titanio
(TiO2) que puede estar recubierto de varios materiales de
sustrato. Las partículas de TiO2 pueden eliminar organismos
como Clostridium perfringens, que es resistente al cloro. La
velocidad de degradación de varias tintas con nanopartículas
de TiO2 fue de 1.6-2.0 veces mayor que con partículas
granulares. Varios tipos de compuestos tales como tintas y
ácidos
orgánicos
han
demostrado
que
se
degradan
rápidamente. Un tipo especial de fotocatalizadores son los
nanotubos de TiO2
que han demostrado actividad muy
superior en la degradación de contaminantes.
Hierro Cerovalente
El hierro metálico nanoescalar es muy efectivo en la
destrucción
de
una
gran
variedad
de
contaminantes
comunes tales como compuestos clorados, brominados,
trihalometanos hidrocarburos policlorados, pesticidas y tintas.
90
La base para la reacción es la corrosión del hierro cerovalente
en el ambiente.
Contaminantes tales como tetracloretano pueden aceptar
fácilmente los electrones de la oxidación del hierro y
ser
reducido a eteno.
Los derivados del hierro pueden llegar a ser más eficientes y
económicos que el ZVI por ejemplo el Nanoscale Zero Valent
Iron (nZVI) con un diámetro que oscila entre 100 y 200 nm (en
laboratorio se obtienen con un diámetro de 100 nm el 90% de
las partículas). Puede producirse por medio de la reacción
química:
Fe(H2O)63+ + 3BH4 + 3H2O ÆFe0 + 3B(OH)3 + 10.5H2
El nZVI puede reducir no solo contaminantes orgánicos sino
también aniones inorgánicos como: nitrato que es reducido a
amoníaco, perclorato que es reducido a cloro, selenato,
91
arsenato, arsenito y cromato. nZVI también es eficiente para
remover metales disueltos en solución, por ejemplo Pb y Ni. Las
velocidades de reacción de nZVI son al menos 25-30 veces
más rápidas y la capacidad de adsorción es mucho mayor
comparada con la de hierro granular. Los metales son
reducidos a los metales cerovalentes o estados de oxidación
menores. El Cr (III) puede formar complejos con óxidos de
hierro que se forman durante la reacción. Algunos metales
pueden incrementar la velocidad de declorinación de los
orgánicos para la obtención de productos más benignos,
mientras que otros metales decrecen la reactividad.
Otra técnica utilizada es Reactive Nanoscale Iron Product
(RNIP) es una mezcla de hierro y magnetita (Fe 3O4), en donde
el núcleo es un átomo de α-Fe rodeado por una capa de
(Fe3O4). Estas partículas pueden tener diámetros de 70 nm y un
2
área de 28.8 m /g. En estudios recientes donde se han
comparado el (nZVI) y el (RNIP) sugieren que el primero tiene
una mayor área inicialmente debido a la presencia de boro
en su capa externa y declora rápidamente al tricloroetano
(TCE). El problema es que la molécula no dura activa mucho
tiempo. En cambio el (RNIP) muestra una decloracion lenta
con el (TCE) y no reacciona con el agua debido a su capa de
magnetita.
92
Una técnica más avanzada que las ya expuestas es la
Bimetallic Nonsocial Iron Particles (BNIP) en donde una
partícula como el ‫ ݁ܨ‬଴ se cubre con una capa de paladio (Pd).
Pueden utilizarse más metales como plutonio, oro y níquel. Las
investigaciones
demuestran
que
los
(BNIP)
decloran
compuestos entre 10 y 100 veces más rápido que el (ZVI).
El uso de emulsiones de hierro Zero Valente (EZVI) que se
preparan con aceites biodegradables, agua y nZVI pueden
tener diámetros de 40 nm y con una gravedad específica de
1,1 lo que las hace muy reactivas por su gran área. En la
siguiente tabla se muestran los contaminantes que pueden ser
atacados por nano partículas de hierro.
Tetracloruro de
carbono
Chloroformo
Diclorometano
Crisoidina
cis-Dicloroeteno
Tropaeolina
trans-Dicloroeteno
Naranja
ácido
1,1-Dicloroeteno
Clorometano
Rojo ácido
Cloruro de Vinilo
Hexaclorobenceno
Mercurio
PCBs
Pentaclorobenceno
Niquel
Dioxinas
Tetraclorobencenos
Plata
Pentacloropenol
Triclorobencenos
Cadmio
93
N-Nitrosodimetilamina
NDMA
Diclorobencenos
Clorobenceno
DDT
Lindano
Naranja II
3.4
Bromoformo
Dibromoclor
ometano
Diclorobrom
ometano
Tetracloroet
ano
Tricloroeten
o
TNT
Dicromato
Arsenico
Perclorato
Nitrato
VENDEDORES
COMPAÑIA
PRODUCTO
PRECIO POR
LIBRA (us)
Polyflon Company
nZVI
PARS Environmental, Inc.
NanoFe
Wei-xiang Zhang of Lehigh
nZVI
45
University
OnMaterials
Z-loy
20
Toda Kogyo Corporation
RNIP
26 a 34
Nanitech LLC
Polymetallix
94
77
3.5
PARTICULAS BIMETÁLICAS Y OTROS METALES
Como ya se había dicho antes en partículas bimetálicas se
pueden utilizar diferentes metales al hierro y el paladio, por
ejemplo, el zinc tiene propiedades similares al hierro y metales
como el níquel, cobalto, plata y cobre pueden llegar a sustituir
al paladio sin desmejorar la efectividad. Pero metales inertes
como el aluminio y oro no muestran buenos resultados al
cubrir el hierro. Una nueva combinación de metales muy
prometedora es el paladio recubierto con átomos de oro (Au)
puesto que el Au mejora considerablemente las propiedades
catalíticas del paladio, dicha combinación puede ser 100
veces más efectiva que el mismo paladio, dicha efectividad
se alcanza cuando se forma una monocapa superficial de
oro. Otra de las grandes ventajas que tiene esta combinación
es que no se desgasta como el nZVI y Pd-ZVI y por lo tanto
puede reutilizarse. El problema radica en su inversión inicial ya
que el oro y paladio son costosos pero si se analiza a largo
alcance la inversión es baja comparada con los beneficios. El
Pd-ZVI habría que reemplazarlo regularmente lo que lo vuelve
más costoso que el Pd-Au. Pero en el caso de hacer una
inyección, sería más conveniente hacerla con nZVI ya que
este no es necesario recuperarlo. Actualmente, se trabaja en
dos proyectos: el primero consiste en poner nanopartículas en
95
membranas para filtrar aguas residuales o de suelo y así luego
de hacer la filtración se recogen las nanopartículas. La
segunda tecnología consiste en usar nanopartículas en polvo
que al final se recogen por filtración.
Ferritina
La ferritina es una proteína de la mayoría de seres vivos como
plantas y animales, cuya función principal es guardar hierro,
además de controlar la formación de estructuras minerales.
Aprovechando esta capacidad se puede utilizar la ferritina
para encapsular las nanopartículas. Una macromolécula
puede contener hasta 4500 átomos de hierro. La ferritina tiene
aplicaciones en el área de fotocatálisis, ya que el hierro se
reduce en presencia de luz y la ferritina actúa libremente en la
luz debido al efecto de encapsulamiento. Por último, se ha
demostrado experimentalmente que la ferritina es capaz de
reducir el cromo Cr(VI) a Cr(III). La ferritina también ataca al
Tecnecio proveniente de desechos nucleares,
el cual es
fuertemente contaminante.
Nanofiltración
Las membranas de nanofiltración (NF) son usadas en el
tratamiento de aguas para la obtención de agua potable y
96
para el tratamiento de aguas residuales. Las membranas de
NF son membranas sujetas a presión con propiedades entre
las de ósmosis inversa y ultrafiltración y tienen poros entre 0.2 y
4 nm. Se ha demostrado que las membranas de NF remueven
iones inorgánicos, tales como: Ca y Na, la turbidez y
microorganismos. Las membranas de NF se usan para el
ablandamiento de aguas subterráneas (reducción de la
dureza del agua), para la remoción de materia orgánica
disuelta y trazas de contaminantes de aguas superficiales,
para
tratamiento
de
aguas
residuales
(contaminantes
orgánicos, inorgánicos y carbón orgánico) y para tratamiento
previo a la desalación de agua de mar.
3.6
TOXICIDAD Y SEGURIDAD
La investigación acerca de esta temática ha sido poca ya
que algunas sustancias presentan propiedades similares a sus
elementos en forma común (propiedades toxicológicas no
físicas, ni químicas) además estas tecnologías son muy
recientes y solo se estudian a nivel de laboratorio. Sin
embargo, se cree que en poco tiempo salgan publicaciones
y estudios referentes a cómo las nanopartículas pueden
afectar el medio ambiente, la vida animal, vegetal y humana.
“Las cadenas alimenticias en sus niveles primarios pueden ser
gravemente afectadas por la inyección de nanopartículas”
97
pues las mismas propiedades que pueden ser perjudiciales
para el medio ambiente pueden ser una ventaja
para
aplicaciones técnicas y explotadas para el tratamiento y
remediación.
subterráneas
Para la recuperación eficiente de aguas
son
necesarias
partículas
con
una
gran
movilidad, pero al mismo tiempo, esta característica hará que
sean más difíciles de eliminar durante tratamiento de agua. La
actividad catalítica de una
nanopartícula puede ser
ventajosa cuando se utilizan para la degradación de los
contaminantes, pero puede inducir una respuesta tóxica en
las células. La alta capacidad de adsorción de ciertas
nanopartículas
se
explota
para
la
contaminantes orgánicos e inorgánicos
eliminación
de
mientras que esta
propiedad puede movilizar contaminantes secuestrados en el
medio ambiente.
98
LA INFORMÁTICA BIOMÉDICA COMO CAMINO CRÍTICO
PARA CONSEGUIR LA CONVERGENCIA DE TECNOLOGÍAS
NBIC EN SALUD
Victoria López Alonso, Guillermo López Campos y Fernándo
Martín Sanchez.
Área de Bioinformática Médica- Instituto de Salud Carlos III
4.1
INTRODUCCIÓN. CONVERGENCIA DE
TECNOLOGIAS EN SALUD
Los importantes avances que se están produciendo en los
últimos años en nanotecnología (Nano), biotecnología (Bio),
tecnologías de la información (Info/TICs), y nuevas tecnologías
basadas en las ciencias cognitivas (Cogno), llevan a esperar
que la convergencia de estas ciencias y tecnologías,
convergencia
NBIC,
produzca
importantes
desarrollos
tecnológicos innovadores que contribuyan a la mejora de la
calidad de vida, con fuertes impactos tanto económicos
como sociales. Desde hace unos años se han elaborado a
99
nivel internacional los primeros informes y propuestas para
determinar las sinergias entre estas tecnologías. En el año 2001
la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de Estados Unidos
fué la primera en elaborar el informe “Convergencia NBIC,
campo de investigación multidisciplinar de las interacciones
entre sistemas vivos y sistemas artificiales para el diseño de
dispositivos
que
biotecnología,
combinen
la
tecnologías
telecomunicaciones
y
de
las
nanotecnología
la
ciencias
información
cognitivas”
con
la
y
las
[1]
y
posteriormente en Canadá en el año 2003 se elaboró el
documento “Bio-Systemics Synthesis” [2]. En el año 2004, la
Comisión Europea (CE) creó también un grupo de trabajo,
denominandolo con el término nuevo CTEKS (Tecnologías
Convergentes para la Sociedad de Conocimiento Europeo),
englobando también aspectos de prevención y de hábitos de
vida que abarcan la sociología, la antropología y la filosofía
[3]. El objetivo final de todos estos informes era definir la
convergencia NBIC, asesorando e impulsando acciones en
Investigación (herramientas tecnologías, materiales para cada
área), Infraestructura y educación.
Parece claro que la integración de tecnologías NBIC debería
producirse en la nanoescala donde átomos, código de ADN,
neuronas y bits podrían llegar a ser intercambiables, sin
embargo
en
la
actualidad
100
y
gracias
al
gran
poder
computacional
es
en
la
escala
giga
donde
se
está
produciendo ya la integración, debido a los avances en
tecnologías de la información y las comunicaciones.
Uno
de
los
claros
escenarios
de
aplicación
de
la
convergencia NBIC es el de la biomedicina, para el estudio de
los mecanismos moleculares, bioquímicos y celulares de las
enfermedades, su prevención y tratamiento, la medicina
clínica, y en general la salud pública. Ya se está produciendo
la convergencia aunque a un nivel todavía incipiente y se
están impulsando proyectos abordados en gran medida por
Redes de investigación que facilitan las interacciones de
grupos que trabajan en las distintas disciplinas.
4.2
CONVERGENCIA BIO-INFO EN SALUD
La genómica y las tecnologías postgenomicas se han
desarrollado como consecuencia de la convergencia entre
biotecnología e informática. Gracias a los avances realizados
en Bioinformática se ha podido obtener la secuencia del
genoma humano en el año 2003, encontrando diferencias tan
sólo del 0.5% para el genoma entre dos personas, debidas en
muchos casos a los polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs)
que condicionan la susceptibilidad o resistencia genética a
una enfermedad, así como el metabolismo y las reacciones
101
adversas a fármacos. La investigación actual en biomedicina
está dirigida a este tipo de estudios así como hacia la
transcriptómica, proteómica y metabolómica para encontrar
marcadores de enfermedades y terapia individualizada
(Medicina
personalizada),
requiriendo
el
uso
de
la
Bioinformática para poder interpretar, almacenar y utilizar
toda la información disponible [4].
En diciembre de 2001, la Comisión Europea (CE) organizó la
reunión
científica
denominada
"La
sinergia
entre
la
investigación en Informática Médica, Bio-informática y NeuroInformática: Conocimiento de Salud Individual y el bienestar",
para explorar la convergencia de estas disciplinas en el marco
de la medicina personalizada. Esta reunión fue el inicio del
proyecto BIOINFOMED [5] que elaboró un Libro Blanco para
estudiar
la
sinergia
Bioinformática
entre
proponiendo
la Informática Médica
una
Agenda
europea
y
la
de
Investigación en Informática Biomédica (BMI). En octubre del
2004, la CE organizó otro Taller denominado "Las TICs en la
encrucijada con las Ciencias de la Vida" [6] cuyo objetivo fue
llevar a cabo un debate científico sobre la vision y nuevos
desafíos entre las TICs y la Bio, e identificar una agenda de
investigación para informar sobre las posibles áreas a tratar en
las convocatorias futuras de proyectos de inestigación.
Posteriormente el proyecto, “Beyond the Horizon” [7], estudió
102
la convergencia Info-Bio desde la perspectiva opuesta,
centrandose en el análisis de la diversidad, modelos y
comportamientos biológicos que podrían servir de inspiración
para generación de sistemas informáticos (informática Bioinspirada) [8]. Estas dos formas de abordar la convergencia se
muestran en la Figura 1.
Figura 1. Tanto la Bioinformática como la computación B ioinspirada resultan de la convergancia de las tecnologías Bio e
Info con numerosas aplicaciones en medicina.
103
La
C.E.
también
financió
el
proyecto
SYMBIOmatics
“Analizando las Sinergias entre la Informática Médica y la
Bioinformática” [9], coordinado por el EBI (Insitituto Europeo de
Bioinformática), que elaboró un Libro Blanco con el objetivo
de acelerar la innovación y la investigación en informática
biomédica, para mejorar la eficiencia en el desarrollo de
sistemas y herramientas para la prevención, diágnóstico y
tratamiento de enfermedades [10]. Tras decadas de avances
en el desciframiento de los componentes moleculares de los
seres vivos, los biologos moleculares y los investigadores
computacionales
están
ahora
utilizando
la
información
acumulada y representándola en complejas redes de células,
tejidos, organismos y poblaciones.
4.3
CONVERGENCIA BIO-NANO EN SALUD
En el año 2007 se celebró en Arlington el primer “Workshop on
Nanoinformatics Strategies” [11] y desde entonces los Institutos
Nacionales de Salud y el Instituto Nacional del cancer de EEUU
han financiado iniciativas relacionado con la aplicación de la
Nanoinformática en medicina. En Europa, el proyecto ACTIÓN
Grid [12] iniciado en junio del 2008 con el apoyo de la
Comisión Europea, ha configurado un plan de trabajo en
Informática Biomédica y la tecnología Grid, para promover el
desarrollo de la Nanoinformática. En el análisis realizado por
104
ACTIÓN Grid, se han puesto de relieve las posibilidades futuras
de la Nanoinformática: bases de datos y de conocimiento de
las nanopartículas (modelos e interacciones biológicas),
integración basada en ontologías y minería de texto,
estándares, normativas de seguridad….
La
nanotecnología
perspectivas
a
la
también
industria
está
en
abriendo
nuevas
nanocomputación,
nanoelectrónica y nanofotónica como posibles alternativas
para las nuevas arquitecturas y diseños para las próximas
generaciones
de
ordenadores,
que
seguramente
será
también aplicada al análisis computacional de la información
generada en la investigación biomédica [13].
Los nuevos avances en nanomedicina [14] abarcan desde las
imágenes generadas mediante la utiliación conjunta de
nuevos agentes moleculares y técnicas de imagén médica
para la visualización de procesos biológicos, celulares o
moleculares, hasta las aplicaciones de la nanotecnología
para desarrollar nuevos sistemas de liberación de fármacos. La
aplicación de nuevas tecnologías a la medicina regenerativa
es también un área emergente que busca fundamentalmente
la reparación o reemplazamiento de tejidos y organos
mediante la aplicación de métodos procedentes de terapia
génica,
terapia
celular,
dosificación
105
de
sustancias
bioregenerativas e ingeniería tisular. En todos estos nuevos
avances de la medicina la nanoinformática tendrá un papel
clave para ayudar a organizar, estandarizar, comparar,
analizar y visualizar la gran cantidad de datos obtenidos.
En el terreno de la seguridad en nanomedicina proyectos
como NanoSOST [15] se realizaron con el objetivo de crear el
conocimiento
y
garantizar
uso
el
establecer
seguro
las
de
bases
científicas
para
nanopartículas, materiales
nanoestructurados en general y su comportamiento tanto de
forma aislada como en el proceso productivo final, con el fin
de favorecer un desarrollo industrial sostenible que esté en
consonancia con las consideraciones sociales y que garantice
la salud y seguridad tanto de trabajadores como de
consumidores.
4.4
Se
CONVERGENCIA INFO-COGNO
espera
que
los
logros
que
se
EN SALUD
produzcan
en
la
convergencia Info-Cogno en salud contribuyan a la mejora a
nivel de prevención, diagnóstico o tratamiento de los
trastornos del sistema nervioso. Los neurocientíficos ya están
utilizando métodos de imagen y análisis en el laboratorio para
investigar el cerebro cada vez con un mayor nivel de detalle,
generando
una
avalancha
106
de
datos
complejos
y
heterogéneos que deben ser procesados y analizados. Esta
investigación
ha
provocado
enorme
interés
en
neuroinformática, especialidad que se ha definido como la
fusión de las ciencias de la información con las neurociencias
[16]. En julio de 2005, investigadores de la École Polytechnique
Fédérale de Lausana e IBM anunciaron una nueva iniciativa
de investigación, un proyecto para crear un modelo funcional
del cerebro. Este proyecto suponía la primera iniciativa de
investigación mediante ingeniería reversa del cerebro para
entender
su
funcionamiento
utilizando
detalladas
simulaciones. El “Human Cognome Project” se ha propuesto
ayudar a trazar la estructura y función del cerebro humano
[17].
Por otro lado la próxima generación de sistemas de apoyo a
la toma de decisiones y los sistemas de inteligencia artificial
pueden ayudar a complementar ciertos procesos cognitivos a
través de interfaces neuronales híbridas, sensores ó fármacos.
4.5
CONVERGENCIA INFO-BIO-NANO EN SALUD
El avance de las tecnologías de miniaturización ha facilitado
el estudio de la diversidad biológica de la materia a escalas
inimaginables. La posibilidad de visualizar moléculas biológicas
en la escala nano abre la puerta al desarrollo de sistemas
107
artificiales que interactúan con la materia viva, contribuyendo
de manera significativa al progreso en varios campos de la
medicina. Diversas nanoherramientas se están desarrollando y
aplicando al estudio de material biológico, permitiendo un
enfoque que se puede definir como trabajar con un
"Nanoscopio" que facilitara a los científicos visualizar y así
manipular los sistemas vivos desde el nivel más bajo [18].
Algunos
ejemplos
de
estas
nuevas
herramientas
nanotecnológicas son los puntos cuánticos, utilizados para
marcaje de biomoléculas, o los bionanosensores que utilizan
moléculas biológicas como material de detección [19]. La
biología también se puede tomar como un modelo para otras
construcciones artificiales, como utilizar los virus para la
fabricación de nanopartículas, o adaptar a los ribosomas
funciones
como
interruptores
moleculares.
Ejemplos
de
convergencia Nano-Bio-Info con aplicaciones en medicina
son por ejemplo sistemas inteligentes de administración de
fármacos [20], imagen molecular [21], y los biosensores [22].
108
4.6
RELEVANCIA DE LA CONVERGENCIA NANO-BIOINFO-COGNO (NBIC EN SALUD)
El número de aplicaciones de las tecnologías convergentes en
salud es muy amplio [23], ya que la miniaturización está
facilitando la construcción de dispositivos a nivel nano que
facilitan el desarrollo de la nanomedicina y la medicina
regenerativa
[24].
Las
empresas
farmacéuticas
están
evaluando la aplicación de estas tecnologías por ejemplo
para el desarrollo y la reformulación de medicamentos.
Algunos ejemplos son:
-
Investigación: el desarrollo de órganos artificiales
facilitará el modelado de los efectos toxicológicos de
sustancias químicas y medicamentos. Con los ultrasecuenciadores de ADN basados en nanoesferas o
nanoporos
se
podrán
leer
genomas
completos
individuales en pocos días y a un precio asequible.
-
Test en el punto de atención al paciente: tecnologías
como
los
nanoarrays
lab-on-a-chip,
los
permitirán
detección
la
microarrays
y
los
rápida
de
enfermedades y los resultados obtenidos podrán
incorporarse a sistemas para la toma de decisiones.
109
-
Sensores: para la detección de biomarcadores de
contaminación ambiental. Sensores en la ropa que
permitan monitorizar propiedades fisiológicas o incluso
que puedan transmitir datos on-line para seguimiento
de pacientes.
-
Imagen: los métodos de imagen molecular ayudaran a
poder obtener patrones de expresión y otros procesos
biológicos “in vivo” que facilitaran la detección
temprana de enfermedades.
-
Terapia: localizar las dianas para la liberación de los
fármacos minimizará también los efectos secundarios.
-
Prótesis: nuevos materiales, ortopedia biocompatible, y
prótesis inteligentes podrán interactuar con señales del
cerebro del paciente y transmitir información sensorial.
Los resultados de la ingeniería tisular permitirán la
sustitución del órgano dañado, y las terapias genéticas
y celulares ayudarán a recuperarse de la disminución
o pérdida de la función biológica.
-
Cirujia: microrobots biocompatibles dentro del cuerpo
podrán tener diversos usos en medicina.
110
Figura 2. Los biochips ó microarrays son un ejemplo de
tecnología convergente NBIC para su uso en medicina.
Los Biochips ó microarrays representan un buen ejemplo de
tecnologías convergentes NBIC (Figura 2). Los primeros
microarrays surgieron de la convergencia de tecnologías de la
información (microelectrónica) y la biotecnología, utilizando la
fotolitografía como método para la síntesis in situ de pequeñas
moléculas de ADN. Aunque han sido ampliamente utilizados
en la investigación biomédica, aún presentan limitaciones
para poder utilizarse en la práctica clínica. Algunos de estas
limitaciones podrían superarse a través de nuevas desarrollos
procedentes de otras disciplinas convergentes. Los modelos
111
de razonamiento médico cognitivos podrían añadir una capa
inteligente a estos sistemas, lo que les haría más adecuados
para
su
aplicación
en
entornos
clínicos.
Además,
la
miniaturización permitiría utilizar estos dispositivos en el punto
de atención al paciente.
4.7
LA INFORMÁTICA BIOMÉDICA EN EL CONTEXTO DE
LA CONVERGENCIA NBIC
Podríamos decir que la Informática Biomédica juega un papel
de “tejido convergente” de la oferta NBIC para la salud y la
medicina (Figura 3) [25]. Los desarrollos más importantes en
ciencia están teniendo lugar en la intersección de las distintas
disciplinas con la informática. Partimos de las tecnologías más
asentadas
como
la
informática
médica
(sistemas
de
información hospitalaria, historia clínica electrónica, sistemas
de gestión e imagen médica), y su proyección futura hacia la
telemedicina o la consulta virtual.
112
Figura 3. La elipse representa el área que la informática
biomédica abarca en relación al tetraedro NBIC indicándose
las distintas especialidades de aplicación en salud.
Desde un plano innovador más convergente encontramos la
bioinformática con el tratamiento de datos genómicos y
metabólicos. Los biochips, la predicción de actividad y
funcionalidad de proteínas, la computación basada en ADN
son campos abiertos a la investigación y a la innovación en
este área.
113
Los aspectos “cogno” de la informática generan oferta hacia
la salud en el ámbito de la cibernética biológica o los sistemas
inteligentes.
La
neuroinformática,
aparece
ligada
a
la
innovación para mejorar las capacidades neurológicas y
mentales del ser humano. En este sentido la convergencia
NBIC aporta los sistemas de visión artificial, computadoras con
capacidad de filogénesis, ontogénesis y epigénesis, basadas
en tejidos electrónicos, vida artificial o inteligencia artificial. Los
avances en neuroinformática están también orientados a
paliar la discapacidad y la dependencia no sólo originada
por el envejecimiento, sino también, y de manera creciente al
desarrollo de métodos que faciliten la integración social de los
discapacitados.
114
Figura 4. Modelo de convergencia de tecnologías e
información en medicina.
En relación a todas estas áreas nuevas aparecen nuevas
preguntas relativas por ejemplo a las aplicaciones industriales
a corto o medio plazo, los temas relativos a seguridad del
paciente, implicaciones sociales, temas éticos y legales…. En
cualquier circunstancia, un énfasis en investigación básica
debería proveer contribuciones más concretas que soporten
un plan de investigación más ambicioso y a largo plazo. Tanto
115
en
investigación
científica
básica
como
aplicada
en
genómica y en nanomedicina el papel de la informática
biomédica será decisivo para poder avanzar. Un modelo
posible para esto se muestra en la Figura 4.
Una atención especial debe darse a la educación, por
ejemplo
incluyendo
modulos
de
nanotecnologías
y
tecnologías NBIC en programas educativos.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido financiado por la Red CYTED IBERO-NBIC,
la RETIC COMBIOMED (FIS, Ministerio de Ciencia e innovación)
y la Support Action INBIOMEDvision (Comisión Europea).
116
REFERENCIAS
[1] Roco, M.C.; Bainbridge, W.S., editors. Converging technologies
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119
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Convergence of Nano-Bio-Info-Cogno (NBIC) Technologies.
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120
INFORMÁTICA BIOMÉDICA EN NANOMEDICINA:
MINERÍA DE TEXTOS, INTEGRACIÓN DE DATOS Y ACCESO
A RECURSOS
Víctor Maojo, Diana de la Iglesia y Miguel García Remesal.
Grupo de Informática Biomédica – Dept. Inteligencia Artificial Universidad Politécnica de Madrid
5.1
INTRODUCCIÓN
Dentro de las tecnologías convergentes NBIC, este capítulo se
centra en las áreas de Nanotecnología e Información, que
definen y describen una nueva disciplina denominada
Nanoinformática. En el capítulo se describe el trabajo
realizado por el Grupo de Informática Biomédica de la UPM
en esta área.
En
los
últimos
años,
la
nanotecnología
ha
sido
“re-
descubierta” por un amplio rango de áreas científicas y
médicas,
autoridades
reguladoras
y
organismos
de
financiación. En el caso de la medicina, los resultados de
disciplinas emergentes —como la nanomedicina— se deben
emplear para hacer frente a la complejidad biológica de las
121
enfermedades. La figura 5.1 ofrece un cronograma resumido
de la evolución de la nanotecnología, desde las primeras
investigaciones
del
Nobel
Richard
Feynman
hasta
las
nanomáquinas propuestas por Mihail Roco.
La nanotecnología permite aprovechar las propiedades
físicas, químicas, eléctricas, mecánicas y ópticas singulares
que manifiestan los materiales a escala nanométrica [1]. Esta
manifestación de nuevos fenómenos y propiedades incluye
cambios en:
x
Propiedades físicas (por ejemplo, punto de fusión)
x
Propiedades químicas (reactividad)
x
Propiedades eléctricas (conductividad)
x
Propiedades mecánicas (fuerza)
x
Propiedades ópticas (emisión de luz)
La gran superficie que ofrecen los nanomateriales en relación
a su poco volumen permite el diseño de sistemas y dispositivos
en miniatura pero con una gran funcionalidad.
122
Figura 5.1. Evolución cronológica de la nanotecnología.
5.2 NANOMEDICINA
La nanomedicina es la aplicación de la nanotecnología en el
campo de la medicina. Paradójicamente, al igual que el
término "medicina genómica" está empezando a difundirse
ampliamente, la nanomedicina emerge como una nueva y
emocionante frontera de la biomedicina. Ambas disciplinas
tienen como meta el desarrollo de métodos y tecnologías con
finalidades muy ambiciosas, pero aún es necesario un mayor
desarrollo de sus fundamentos teóricos para construir una
123
disciplina científica sólida, tema en el que pueden colaborar
los investigadores que trabajan en Informática Biomédica.
Para muchas enfermedades, la nanomedicina promete
desarrollar
soluciones
para
mejorar
los
métodos
de
diagnóstico y las terapias aplicadas actualmente. Aquí se
muestran diversas áreas y ejemplos, que a su vez muestran la
conexión entre esta disciplina y la informática (fig. 5.2):
x
Biofarmacéutica:
el
estudio
de
nuevos
medicamentos basados en nanopartículas, así
como de los nanosistemas desarrollados para la
administración de fármacos a las células
x
Desarrollo de nanomateriales, para la reparación y
sustitución de tejidos
x
Nanodispositivos para, por ejemplo, restaurar la
función auditiva o visual
x
Nanocirugía: herramientas y dispositivos nano que
pueden ser usados en tareas quirúrgicas
x
Herramientas de diagnóstico, como por ejemplo,
nanosistemas para la captura de imágenes que
pueden ayudar a identificar, lo antes posible, la
existencia de un enfermedad
124
x
El mejor entendimiento de los procesos vitales
básicos,
haciendo
uso
de
herramientas
informáticas de modelización y simulación
x
Bases de datos de nanopartículas
Figura 5.2.1. Áreas de colaboración entre nanomedicina y
nanoinformática
El número de publicaciones centradas en Nanomedicina ha
crecido considerablemente en los últimos años, como se
puede observar en el siguiente diagrama de barras (fig. 5.2.2).
En
este
indexadas
momento,
en
casi
MedLine
2.000
bajo
125
el
publicaciones
término
de
aparecen
búsqueda
“Nanomedicina”. Este alto número de publicaciones en un
campo relativamente desconocido para los investigadores
biomédicos indica el alto impacto que puede tener esta
disciplina para las ciencias y tecnologías biomédicas. La
primera
publicación
en
MedLine
que
relacionaba
y
combinaba Informática Biomédica y Nanomedicina data de
2006, con participación de los autores [2].
Figura 5.2.2. Número de publicaciones indexadas en PubMed
bajo el término “Nanomedicine” durante los últimos años e
interés relativo de dichas publicaciones respecto a otras áreas
de publicación. Gráfico generado mediante el uso de la
herramienta GoPubMed (http://www.gopubmed.org/)
126
5.3 NANOINFORMÁTICA
La nanoinformática es una nueva disciplina ligada a la
Informática Biomédica y la Nanomedicina, cuyo objetivo es
detectar las sinergias y construir nuevos puentes entre la
medicina, la nanotecnología y la informática mediante la
aplicación de herramientas y métodos computacionales para
facilitar las tareas y resolver los problemas que surgen durante
la investigación nanomédica.
En esta sección describiremos las iniciativas actuales y los retos
científicos que se presentan en esta área [3].
5.3.1 Hombre Fisiológico Virtual (Virtual Physiological Human)
Dentro de las iniciativas de investigación de la Comisión
Europea, destaca el “Virtual Physiological Human” (Hombre
Fisiológico Virtual o VPH), enfocada al desarrollo de modelos y
simulaciones del cuerpo humano, a partir de datos clínicos y
biológicos y a través de métodos y herramientas informáticas.
La nanomedicina y la nanoinformática pueden extender este
ámbito hacia el nivel nano, creando nuevos retos científicos
para
la
investigación
básica
implicaciones de carácter clínico.
127
y
aplicada,
con
claras
Dentro de la iniciativa del VPH, varios grupos de la red IberoNBIC han trabajado en el proyecto ACTION-Grid [4], una
acción cooperativa entre la Unión Europea, Iberoamérica, los
países balcánicos y el norte de África que abarca las áreas de
computación Grid, Informática Biomédica y Nanoinformática.
El principal resultado de este proyecto es un “White Paper”
que conecta las citadas áreas, extendiendo los métodos y
herramientas de la Informática Biomédica hacia el contexto
nano. Después de dos años de trabajo, ACTION-Grid ha
conseguido proporcionar una visión global y coherente,
basada en las sinergias existentes entre las distintas disciplinas
y las áreas geográficas implicadas. Esta visión queda recogida
en el White Paper anteriormente mencionado, el cual puede
descargarse libremente de la página web de ACTION-Grid
[5,6,7].
El White Paper propone 5 grandes retos en el área de la
Nanoinformática claramente conectados con la Informática
Biomédica desde el punto de vista científico. Con estos
grandes retos se puede esbozar una agenda futura en el
área, tal y como veremos a continuación.
128
5.3.2 Retos
1) Almacenamiento de datos y conocimiento, incluyendo la
construcción de nuevos bionanorepositorios, el desarrollo de
nuevos estándares y plataformas y la creación de bases de
datos de ensayos clínicos en el área nano. En esta dirección,
el Grupo de Informática Biomédica está desarrollando
repositorios
de
herramientas
y
servicios
de
Informática
Biomédica y Nanoinformática, construidos a partir de la
literatura
científica
mediante
el
uso
de
técnicas
de
procesamiento de lenguaje natural y text mining [8,9].
2) El desarrollo de nano-ontologías y tecnologías basadas en
la web semántica para conseguir la interoperabilidad de
datos y servicios, proporcionando nuevas infraestructuras y
métodos para integrar datos a nivel nano en los sistemas de
información existentes. El Grupo de Informática Biomédica de
la UPM también está trabajando actualmente en este campo
[10]
3) Por último, la extensión de la historia clínica digitalizada
para incluir en ella información “nano”, la cual puede ser
usada para diagnosis, terapia y también para el análisis de los
efectos tóxicos de las nanopartículas.
129
5.4 NANOTOXICIDAD
El
impacto
en
determinados
la
salud
asociado
nanomateriales
aún
a
es
la
exposición
a
desconocido.
El
siguiente diagrama muestra los peligros de la exposición de los
seres vivos y el medio ambiente a nanomateriales y
nanopartículas.
Figura 5.4. Perspectiva del ciclo de vida de los nanomateriales
en cuanto a sus riesgos para los consumidores y los
trabajadores. Adaptado de [11]
130
La toxicidad de las nanopartículas es un tema al que se están
dedicando importantes esfuerzos en la actualidad. Nuestro
grupo está investigando en la identificación de recursos como
bases
de
datos,
publicaciones
y
otras
herramientas
informáticas para tratar la gestión de datos y conocimiento
relacionado con los aspectos de la nanotoxidad.
En el grupo hemos desarrollado una aplicación capaz de
recuperar información, a partir de la literatura científica, sobre
la toxicidad asociada al uso de la nanotecnología en el
dominio biomédico [12]. Está orientada a la clasificación de
los textos y posterior recuperación de los mismos, mediante el
uso de ontologías. Dichas ontologías ayudan a discernir qué
términos pertenecen a un dominio y cuáles no.
La herramienta se basa en tres procesos bien diferenciados:
x
Recuperar la información deseada de artículos
científicos como, por ejemplo, los nombres de las
nanopartículas, sus aplicaciones médicas y la
toxicidad asociada a las mismas;
x
organizar y dar una estructura formal a esta
información, mediante el uso de ficheros XML;
x
y, finalmente, almacenar la información relevante
en una base de datos relacional.
131
Para cada una de las publicaciones, el sistema ejecuta un
análisis
automático
para
extraer
todos
los
términos
encontrados en los documentos y relacionarlos con los
términos
presentes
en
las
ontologías
seleccionadas: la
Nanoparticle Ontology [13] y el Foundational Model of
Anatomy [14].
La NanoParticle Ontology representa conocimiento básico
acerca de las propiedades físicas y químicas, así como de Ias
características
funcionales
de
las
nanopartículas.
Las
nanopartículas se clasifican según sus:
x
Componentes químicos
x
Estructura y funcionalidad
x
Forma
x
Aplicaciones para diagnóstico y terapia médica
x
Estímulos necesarios para activar la funcionalidad
de la nanopartícula
Por otra parte, el Foundational Model of Anatomy es una
representación del conocimiento existente sobre la anatomía
humana. Es un recurso abierto, en forma de base de datos
relacional, que contiene aproximadamente 750.000 clases,
120.000 términos y 210.000 relaciones con 168 tipos de
132
relaciones
distintos, permitiendo
la
modelización
de
la
organización estructurada del cuerpo humano
Como ejemplo de uso de la herramienta, podemos citar el
siguiente: un usuario quiere acceder a las publicaciones
relativas a la molécula “Paclitaxel” y sus efectos en el cerebro.
El usuario sólo necesitará introducir la palabra “Paclitaxel”
como nombre y la palabra “cerebro” como objetivo/diana. El
sistema devolverá una lista de las publicaciones relacionadas
con la búsqueda, junto con un resumen de las mismas y un
enlace a su registro bibliográfico en PubMed.
5.5 CONCLUSIONES
Actualmente, existen muchos problemas asociados a la
búsqueda de información llevada a cabo en los proyectos de
investigación. Entre ellos destacan:
x
Grandes cantidades de información
x
Falta de información sobre las fuentes de datos
más apropiadas
x
Dificultad de uso por la falta de destreza de los
usuarios no especializados, la complejidad de las
interfaces y la documentación pobre o inexistente
133
x
Las búsquedas no son inteligentes, sino que el
usuario debe realizar búsquedas por palabra clave
o formular consultas en formatos específicos
x
Problemas técnicos (conexiones lentas, etc.)
x
Acceso limitado o restringido a determinados
recursos
x
Filtro de la información: distinción entre información
esencial (respecto a la búsqueda) y no esencial
La nanoinformática intenta dar solución a los problemas de
búsqueda y gestión de la información generada durante la
investigación nanomédica, explotando nuevas sinergias entre
disciplinas ya consolidadas, como la Informática Biomédica y
la Nanomedicina.
Actualmente se desarrollan recursos y herramientas que
pueden ser aplicados tanto en biomedicina como en
nanomedicina [11], pero aún existen muchos retos para
conectar —compartir, intercambiar y reutilizar— los objetivos,
métodos y herramientas de la Informática Biomédica y la
Nanoinformática.
Las actividades relacionadas con aspectos tales como la
investigación colaborativa y el desarrollo de aplicaciones,
estándares, bases de datos y publicaciones han demostrado
134
la viabilidad de conectar investigadores con objetivos afines y
trabajar hacia un objetivo común.
135
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138
BÚSQUEDA COMPUTACIONAL DE PROTEÍNAS
ANTIGÉNICAS CANDIDATAS PARA EL DISEÑO DE VACUNA
CONTRA LA MALARIA
Raúl Isea
Instituto de Estudios Avanzados (IDEA), Hoyo de la
Puerta, Valle de Sartenejas. Baruta, Venezuela.
6.1
INTRODUCCIÓN
La malaria o paludismo es una enfermedad tropical causada
por un parásito del género Plasmodium a través de la
picadura de un vector o mosquito infectado por Anopheles
gambiae. Anualmente, mueren entre dos y tres millones de
personas por esa causa y la mitad de toda la población
mundial está en riesgo de contraer la enfermedad.
Hasta ahora se conocen más de 170 especies de Plasmodium,
pero de todas ellas solo cinco cepas diferentes afectan a la
especie humana: P. falciparum, P. vivax, P. ovale, P. malariae
139
y, recientemente, P. knowlesi. Es interesante destacar que el
primer caso de malaria producido por P. knowlesi, fue
registrado en 1965 en Estados Unidos, y resultó asociado a un
viajero que había estado en Malasia. De las cinco cepas
antes citadas P. falciparum es la más virulenta: la mitad de sus
víctimas, lamentablemente, son niños menores de cinco años.
Recordemos que la palabra malaria proviene de los términos
latinos malus aria, y luego del italiano mala aria, que significa
mal aire, porque originalmente se pensaba que esta
enfermedad
era
causada
por
los
gases
fétidos
que
emanaban de unos pantanos en las llanuras de Italia. No
obstante, el conocimiento de la malaria se remonta a la
época del primer Emperador Amarillo, gracias a los registros
encontrados en el libro de medicina conocido como El
Canon de la Medicina, de Nei Ching. En esa obra, se
describía una enfermedad que provocaba continuas fiebres
asociadas con bazos agrandados. Curiosamente, Hipócrates
realizó observaciones similares en el siglo V a.C.
Revisando la literatura científica, se encuentra que en
Venezuela, en 1854, el médico de origen francés Luis
Beauperthuy (1807-1871) publicó en la revista Gaceta de
Cumaná la hipótesis de que los mosquitos eran los probables
vectores de la malaria y la fiebre amarilla; pero ese trabajo no
140
tuvo el impacto esperado. En 1880, el francés Alfonso Laveran
(1845-1922) descubre un parásito en sangre humana al
examinar a soldados en Argelia, que denomina Hematozoario
de Laveran. Diecisiete años después, el británico Ronald Ross
establece que es un mosquito el agente transmisor cuando
realizaba sus estudios de malaria en aves, y en 1899, un
italiano llamado Giovanni Battista Grassi (1854-1925) identificó
al Anopheles como el responsable de la transmisión. Es
lamentable
que
el
trabajo
de
Beauperthuy
pasara
desapercibido, pues su valiosa contribución podría haber
ahorrado cinco décadas de estudio contra este flagelo.
En 2007, la Organización Panamericana de la Salud (OPS)
indicó que la malaria afectaba a 21 países en las Américas
con una población total de aproximadamente 880 millones
de personas. De ellos, 236 millones habitan en zonas
endémicas, mientras que otros 276 millones viven en áreas de
riesgo de transmisión (esa información está disponible en la
página web http://www.paho.org/English/AD/DPC/CD/malamericas-2007.pdf).
En el caso de la República Bolivariana de Venezuela, según la
información suministrada por la OPS, el 29% de la población
está en riesgo de contraer la malaria. Considérese además
que de la superficie total de Venezuela —916.000 Km2—,
141
aproximadamente la mitad (i. e., 430.000 Km2) es terreno
selvático, zona propensa para la propagación de mosquitos
contaminados con Anopheles.
El ciclo de vida del Plasmodium (filum Apicomplexa) ocurre
en dos hospederos diferentes, el vertebrado y el mosquito,
por lo cual el Plasmodium desarrolla diferentes estrategias de
supervivencia para evadir el sistema inmune en ambos
hospederos. Cuando el mosquito hembra inyecta a través de
sus
glándulas
salivales
los
esporozoitos
en
el
torrente
sanguíneo del hospedero vertebrado al momento de
alimentarse de sangre, dichos esporozoitos llegan al hígado
en aproximadamente horas. Una vez dentro del hígado,
invaden los hepatocitos y llegan a la fase de esquizogonia
pre-eritrocítica en un lapso de cinco a 15 días, tiempo
durante el cual se desarrollan hasta alcanzar la forma de
esquizontes maduros. Posteriormente, ocurre una ruptura de
dichas células que libera a los merozoitos en el torrente
sanguíneo y se apoderan de los glóbulos rojos.
Los merozoitos dentro de los eritrocitos maduran en forma de
anillos, conocidos como trofozoitos, donde se alimentan del
citoplasma del eritrocito y depositan un sedimento llamado
hemozoína. Eventualmente, se rompen y liberan nuevos
merozoitos que invaden y lisian otros glóbulos rojos no142
infectados. Justamente durante este proceso se presenta la
fase aguda de la enfermedad que se caracteriza por las
continuas fiebres, escalofríos y dolor muscular, entre otros
síntomas clínicos. Finalmente, los merozoitos se diferencian en
las formas sexuales conocidas como macrogametocitos
(femenino)
y
microgametocitos
(masculino)
con
la
particularidad de que no causan ninguna patología dentro
del hospedero, pero desempeñan un rol importante para la
transmisión de la enfermedad gracias a la picadura de otro
mosquito hembra Anopheles, que puede estar infectado o
no. En dicho mosquito se desarrolla un ciclo sexual que dará
origen a cientos de esporozoitos los cuales invaden el epitelio
glándulo-salivar
para
infectar
posteriormente
a
otro
hospedero invertebrado [1].
6.1.1 Fármacos antimaláricos
La cloroquina fue el medicamento por excelencia para
combatir la malaria que se empleó un poco después de la
segunda guerra mundial. Sin embargo, a solo diez años de su
distribución como fármaco de carácter profiláctico así como
medicamento para contrarrestar los síntomas clínicos, se
observaron múltiples casos de resistencia en la mayoría de los
países donde fue administrado. En el caso particular de la
República Bolivariana de Venezuela, en 1960 se observó que
143
P. falciparum mostraba resistencia a la cloroquina. Quince
años después se publicó un estudio que registraba que más
del 93% de los casos eran resistentes a dicha droga en el
estado Bolívar.
Los medicamentos antimaláricos, como por ejemplo la
cloroquina, quinina, amodiaquina, lumefantrina o mefloquina,
entre otros, son, básicamente, derivados de la quinolona y
parecen
actuar
en
la
ruta
de
degradación
de
la
hemoglobina al unirse con la ferriprotoporfirina IX [2]. De
hecho,
pueden
considerarse
como
esquizonticidas
sanguíneos al ser efectivos contra las formas eritrocíticas de
las especies de plasmodio, pero sin ninguna eficacia sobre los
esporozoitos o hipnozoitos. Los compuestos derivados de la
cloroquina se cree que actúan destoxificando el grupo hemo.
De la misma manera, los antifolatos (como son las sulfamidas)
inhiben la acción de la dihidropteroato sintasa, y la
pirimetamina
bloquea
una
enzima
responsable
de
la
regeneración del cofactor en estado reducido. Sin embargo,
dichos tratamientos no han sido eficaces porque las proteínas
blanco donde actúan esas drogas, han generado resistencia
así como hipersensibilidad a dichos medicamentos durante el
tratamiento profiláctico [3].
144
Gracias al trabajo de Fidock y colaboradores publicado en el
año 2000 [4], se conoció que la causa de la resistencia a la
cloroquina era una mutación que ocurre en el parásito, en la
proteína transportadora de cloroquina PfCRT responsable de
reducir la acumulación de esa sustancia en la vacuola
digestiva del Plasmodium, hasta eliminarla. Dicha mutación
ocurre en la posición 76 al darse el cambio del aminoácido
lisina por una treonina. También se sabe que sí ocurre la
mutación en la posición 163, es decir, la mutación S163R; se
restaura la sensibilidad del parásito al medicamento sin pasar
por alto el papel que tiene el pH en el transporte de la
cloroquina.
6.1.2 ¿Es realmente factible una vacuna contra la malaria?
Conociendo la complejidad del ciclo de vida del plasmodio
así como los métodos que emplea para evadir el sistema
inmune, surge la pregunta de si realmente es posible
encontrar una vacuna que sea efectiva contra dicho flagelo,
pues es un hecho que la mitad de la población en todo el
mundo, es decir más de tres mil millones de habitantes, corre
el riesgo de contraer la malaria.
Es importante recordar los trabajos de Ruth Nussenzweig y
colaboradores, publicados en 1967, donde se muestra que
145
realmente es factible encontrar una protección contra la
malaria: ellos inocularon esporozoitos de P. bergei irradiados
con rayos-X en roedores y lograron una defensa contra dicho
flagelo [5].
Las esperanzas están puestas actualmente en una vacuna
denominada RTS,S/AS02 (de entre un total de 17 que se están
ensayando hoy día), cuyo estudio comenzó en 1985. Esta
vacuna ha demostrado ser segura y, a su vez, produjo una
disminución del número de episodios clínicos de un 30%,
según datos del ensayo realizado en Mozambique con 2.022
afectados de edades comprendidas entre uno y cuatro años.
El período de protección solo asciende a 45 meses [6]. Es un
tiempo muy corto y por ello hay que continuar los estudios
para generar potenciales vacunas más efectivas.
6.2
METODOLOGÍA COMPUTACIONAL
El presente trabajo se planteó como objetivo identificar
aquellas proteínas antigénicas que pudieran ser candidatas
para desarrollar una nueva vacuna contra la malaria,
mediante
un
análisis
y
procesamiento
de
datos
caracterizados por presentar evidencia antigénica, y que
además se haya mostrado que participan en uno de los
cuatro estadios del ciclo de vida del parásito.
146
Para lograrlo, la idea es obtener todas las secuencias
anotadas en el genoma de Plasmodium falciparum de la
cepa 3D7 disponible, a través de la base de datos PlasmoDB
(con
acceso
gratuito
a
través
de
la
página
web
http://plasmodb.org). Posteriormente, seleccionar aquellas
secuencias
con
cierto
grado
de
antigenicidad
independientemente de los diferentes estadios del ciclo de
vida del parásito, y que además esté predicho como un
péptido de señal. Esta última condición impuesta en el
presente
trabajo,
carece
de
cualquier
evidencia
experimental que pueda indicar su efectividad para eliminar
definitivamente la enfermedad [7].
6.3
RESULTADOS
El genoma de Plasmodium falciparum de la cepa 3D7 fue
secuenciado en 2002; consta de 23.26 Mb y está compuesto
por 14 cromosomas lineales unidos en cada extremo a
secuencias teloméricas, cuyos cromosomas oscilan entre 0.75
Mb (152 genes en el cromosoma 1) y 3.3 Mb (787 genes en el
cromosoma 14). En total, dicho genoma consta de 5.510
genes, 11.220 proteínas, 112 seudogenes, 61 genes rARN, y 72
tARN.
147
Se seleccionaron todas aquellas secuencias que presentaran
un grado de evidencia antigénica, con especial atención en
aquellas proteínas que puedan interferir en la ruta metabólica
del parásito, pero que a su vez no estén presentes en el
huésped. El primer paso fue seleccionar las proteínas que
presentan una evidencia antigénica en todo el genoma del
P. falciparum cepa 3D7; se obtuvieron 1.538 diferentes
proteínas según la información contenida en la base de
datos.
6.3.1 Predicción in silico de epítopos
En el trabajo publicado por Isea en 2010 [7], se señaló cómo
los
métodos
de
predicción
in
silico
de
epítopos
no
concuerdan con los encontrados en la literatura científica.
Asimismo, se destacó el alto número de falsos positivos
generados por los diferentes programas computacionales,
pero en el caso de P. falciparum no coincidieron con los
datos obtenidos por métodos experimentales [7].
6.3.2 Selección de proteínas antigénicas
El próximo paso fue seleccionar todas las proteínas que están
presentes en el genoma de P. falciparum con la peculiaridad
de que se expresan en cualquiera de los cuatro estadios del
148
parásito, es decir, en los estadios esporozoito, merozoito,
trofozoito y gametocito.
De todas las proteínas seleccionadas en el paso previo se
debió verificar que cumpliesen con estar ubicadas en la
región externa de la membrana celular, y para ello se empleó
el programa TMHMM2 que permite predecirlo [8]. Finalmente,
se realizó la predicción que indica péptido señal gracias al
servidor
que
se
localiza
en
la
página
web
http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/. Tras aplicar todo el
procedimiento
descrito,
se
obtuvieron
141
proteínas
antigénicas, tal como se muestra en la tabla 1. En ella se
señala el identificador (ID) de acuerdo con la base de datos
PlasmoDB y dentro de un paréntesis se coloca en qué
cromosoma está ubicada la proteína. Se requiere estudiarlas
con más detalle para poder derivar, por ejemplo, criterios que
permitan disminuir el número de proteínas blanco contra la
malaria.
6.4
CONCLUSIONES
Mediante la biología molecular y las ciencias ómicas como la
proteómica y la transcriptómica, es posible plantear nuevas
proteínas blanco que puedan ayudar a identificar a aquéllas
que presentan evidencia antigénica con la condición de que
149
estén involucradas en el ciclo de vida del parásito; logrando
de esa manera reducir el número de proteínas de 1.527 hasta
141. Dicho estudio pudiera estar vinculado con el desarrollo
de una nueva vacuna contra la malaria más efectiva, en el
sentido de que su rango de protección sea superior a los 45
meses, como el obtenido con la vacuna experimental
llamada RTS,S/AS02.
Por otra parte, se debe tener en cuenta que hasta la fecha
no existe ningún medicamento que actúe en todos los
estadios del ciclo vital del parásito, y no se pueden pasar por
alto todos los esfuerzos desplegados para indagar en la
aplicación de nuevos medicamentos, como por ejemplo los
antibióticos tetraciclina y clindamicina [9].
AGRADECIMIENTOS
Expresamos nuestro más profundo agradecimiento a todas
aquellas
personas
e
instituciones
que
nos
permitieron
incursionar en el tema del presente trabajo, cuyo origen
coincide con el premio que nos fue otorgado por CAVEFACE
en 1999, así como los diversos proyectos nacionales e
internacionales —NBIC, EELA, EELA-2, WISDOM— en los que
tomamos parte. Asimismo, queremos reconocer el apoyo
150
institucional recibido a lo largo de estos años de ejercicio
profesional. A todos, muchas gracias.
151
REFERENCIAS
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J.L.;
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a
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microbiología. Vol. 2. Barcelona: Editorial Reverté, 1998.
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2010, 2, 40-49.
153
TABLA 1
Proteínas antigénicas que pueden ser candidata para el
diseño de vacuna contra la malaria de acuerdo a la
nomenclatura asignada en el
PlasmoDB,
y dentro del
paréntesis se indica el cromosoma donde está presente.
PFA0055c(1)
PFA0125c(1)
PFA0385w(1)
PFA0635c(1)
PFA0690w(1)
PFB0205c(2)
PFB0400w(2)
PFB0760w(2)
PFB0925w(2)
PFC0125w(3)
PFC0210c(3)
PFC0490w(3)
PFC0590c(3)
PFC0710w-a(3)
PFC0810c(3)
PFC0835c(3)
PFC0925w(3)
PFC0975c(3)
PFC1090w(3)
PFD0075w(4)
PFD0110w(4)
PFD0210c(4)
PFD0260c(4)
PFD0295c(4)
PFD0310w(4)
PFD0440w(4)
PFD0555c(4)
PFD0690c(4)
PFD0940w(4)
PFD1037w(4)
PFD1195c(4)
PFE0120c(5)
PFE0660c(5)
PFE0710w(5)
PFE1330c(5)
PFE1510c(5)
PFF0050c(6)
PFF0620c(6)
PFF0795w(6)
PFF0800w(6)
PFF1455c(6)
PFF1475c(6)
PFF0985c(6)
PFF0995c(6)
PFF1395c(6)
PFF1535w(6)
MAL7P1.3(7)
MAL7P1.203(7)
PF07_0061(7)
MAL7P1.102(7)
MAL7P1.119(7)
PF07_0100(7)
PF07_0113(7)
MAL7P1.176(7)
MAL8P1.10(8)
PF08_0071(8)
PF08_0068(8)
PF08_0063(8)
PF08_0052(8)
PF08_0050(8)
PF08_0011(8)
PF08_0008(8)
PF08_0005(8)
PFI0210c(9)
PFI0380c(9)
PFI0640c(9)
PFI0795w(9)
PFI0900w(9)
PFI0920c(9)
PFI0960w(9)
PFI1145w(9)
PFI1475w(9)
PFI1730w(9)
PF10_0018(10)
PF10_0053(10)
154
PF10_0084(10)
PF10_0166(10)
PF10_0168-a(10)
PF10_0303(10)
PF10_0313(10)
PF10_0355(10)
PF10_0356(10)
PF10_0392(10)
PF11_0023(11)
PF11_0064(11)
PF11_0224(11)
PF11_0229(11)
PF11_0246(11)
PF11_0256(11)
PF11_0344(11)
PF11_0348(11)
PF11_0381(11)
PF11_0486(11)
PF11_0503(11)
PFL0070c(12)
PFL0600w(12)
PFL0655w(12)
PFL0765w(12)
PFL1045w(12)
PFL1060c(12)
PFL1415w(12)
PFL1835w(12)
PFL2505c(12)
PFL2510w(12)
MAL13P1.60(13)
PF13_0066(13)
PF13_0133(13)
PF13_0141(13)
PF13_0322(13)
PFI0180w(13)
MAL13P1.56(13)
MAL13P1.193(13)
MAL13P1.203(13) MAL13P1.210(13)
PF13_0265(13)
MAL13P1.262(13)
PF13_0277(13)
MAL13P1.285(13) MAL13P1.410(13)
MAL13P1.319(13)
MAL13P1.342(13)
MAL13P1.465(13)
PF14_0016(14)
PF14_0045(14)
PF14_0063(14)
PF14_0116(14)
PF14_0192(14)
PF14_0199(14)
PF14_0201(14)
PF14_0249(14)
PF14_0250(14)
PF14_0275(14)
PF14_0318(14)
PF14_0342(14)
PF14_0372(14)
PF14_0415(14)
PF14_0425(14)
PF14_0440(14)
PF14_0495(14)
PF14_0541(14)
PF14_0598(14)
155
EXTRACCIÓN DE INFORMACIÓN MEDIANTE
COMPUTACIÓN EVOLUTIVA
Ana Freire, Vanessa Aguiar-Pulido, Juan R. Rabuñal,
Ana B. Porto, Javier Pereira.
Depto. de Tecnologías de la Información y las
Comunicaciones, Universidad de A Coruña
(España)
7.1
INTRODUCCIÓN
La hidrología se puede definir como la ciencia geográfica que
se dedica al estudio de la distribución espacial y temporal y
las propiedades del agua presente en la atmósfera y en la
corteza
terrestre.
Esto
incluye
las
precipitaciones,
la
escorrentía, la humedad del suelo, la evapotranspiración y el
equilibrio de las masas glaciares.
Una parte de la hidrología se centra en el estudio de la
determinación de los caudales, cuya importancia reside en:
157
1. Determinar volúmenes disponibles para almacenamiento
para
riego,
agua
potable,
agua
industrial,
turismo,
actividades recreativas, etc.
2. Cuantificar los caudales mínimos, en época de estiaje,
necesarios para abastecimientos de agua potable o la
navegación.
3. Calcular las crecidas de un río, las alturas máximas a las
que puede llegar y definir la radicación de poblaciones
urbanas, construir defensas, zonificar áreas de riesgo hídrico
con distintos usos del suelo asociados a esos riesgos, etc.
Una de las zonas donde más incidencias se pueden producir
debido a movimientos de agua en la corteza terrestre es una
cuenca hidrográfica. Una cuenca hidrográfica es un área
drenada por ríos y sus afluentes. En el caso de una cuenca
urbana, los arroyos y ríos se sustituyen por un sistema de
alcantarillado. En este tipo de cuenca, la escorrentía es la
cantidad de lluvia que alcanza el caudal de los ríos o arroyos.
El modelado del flujo de la escorrentía en una cuenca urbana
típica es aquella parte de la hidrología que tiene por objeto
modelar redes de aguas residuales. Su objetivo es predecir las
condiciones de lluvia de la cuenca y activar una alarma para
proteger de inundaciones o hundimientos.
158
Modelizar o transformar la lluvia caída en una zona o cuenca
en el caudal de agua derivado de dicha lluvia se conoce con
el nombre de “transformación lluvia-escorrentía”, pudiendo
desencadenar inundaciones y riadas en la cuenca. La
transformación lluvia-escorrentía es un caso claro en que una
variable (lluvia) se transforma en otra (caudal) mediante una
función de transferencia cuyos condicionantes físicos son
muchos y muy diversos (grado de impermeabilidad del
entramado urbano, pendientes de las calles, irregularidad
superficial de las aceras, tipo de tejados…) y que constituyen
un sistema con tal cantidad de grados de libertad que es
imposible pretender llegar a una ecuación que siguiendo
leyes físicas represente el trayecto de una gota de agua
desde que cae hasta que entra en la red de saneamiento. El
propio trayecto del agua dentro de la red es complejo y,
aunque sí hay ecuaciones que lo modelen, están sujetas al
uso de parámetros de ajuste que las hace dependientes de
un proceso de calibración.
En general, el objetivo de este tipo de problemas es predecir y
modelar el flujo de una cuenca urbana típica, midiendo tanto
la lluvia recogida mediante un pluviómetro como la cantidad
de agua detectada por un medidor de caudal situado en el
punto de salida de la red de saneamiento.
159
7.2
MODELIZACIÓN
La modelización consiste en el desarrollo de modelos
hidrológicos simplificados que representen una parte del ciclo
hidrológico. Se clasifican en dos categorías [10]:
x
Modelos
basados
en
datos
procedentes
de
la
experimentación: consisten en sistemas de caja negra
que mediante conceptos matemáticos y estadísticos
vinculan una entrada (en este caso lluvia) a la salida
del modelo (escorrentía). Estos modelos se conocen
como modelos hidrológicos estocásticos.
x
Modelos basados en descripciones de procesos: tratan
de representar los procesos físicos observados en el
mundo
real.
Mediante
fórmulas
matemáticas
representan la superficie de la escorrentía, canales de
flujo, etc. Estos modelos se conocen como modelos
hidrológicos deterministas.
Por su parte, la calibración de los modelos consiste en un
proceso mediante el cual, empleando datos históricos
procedentes de la experimentación, se ajustan los valores de
los parámetros de alguna técnica de pronóstico hidrológico
como los hidrogramas unitarios.
160
Un hidrograma unitario [6] es la escorrentía producida por un
milímetro de agua de lluvia caída a un ratio constante de
duración “D” distribuida uniformemente sobre una cuenca o,
dicho de forma más simple, es una función de transferencia
que permite pasar de una unidad de lluvia neta a su
correspondiente escorrentía. Se acepta que una lluvia de
valor doble a la unitaria generará un hidrograma cuyos
valores serán dobles y el efecto conjunto de “n” unidades de
lluvia se obtendrá sumando sus “n” hidrogramas unitarios
considerando su desplazamiento temporal. Este método de
hidrograma unitario se usa con más frecuencia en las cuencas
rurales que en las urbanas; sin embargo, es común encontrar
referencias a este método en la bibliografía y que los modelos
de software comerciales incluyan un paquete de cálculo
basado en esta filosofía. El hidrograma unitario tiene un
número de parámetros limitado (entre 1 y no más de 3 ó 4), los
cuales abarcan información hidráulica e hidrológica de la
cuenca. Las variables puramente geométricas, como la
superficie,
son
aceptadas,
normalmente,
como
incuestionables, mientras que el resto de parámetros deben
calcularse y estimarse. Cualquiera que haya trabajado con
estos parámetros es consciente del grado de incertidumbre
que se plantea una vez que estos han sido establecidos.
161
Otra aproximación existente está basada en ecuaciones
hidráulicas,
cuyos
parámetros
vienen
fijados
por
características morfológicas del área de estudio. Por lo tanto,
estas
ecuaciones
sólo
se
aplican
donde
se
conoce
perfectamente la morfología del terreno, lo cual es poco
frecuente.
El uso de métodos de cálculo no basados en ecuaciones
físicas, como Redes de Neuronas Artificiales y Programación
Genética [3] está siendo comúnmente usado en campos
como ingeniería civil e hidráulica. La Programación genética
clásica (PG) es una técnica de búsqueda propuesta en [8].
Esta
aproximación
genera
algoritmos
y
expresiones
representados en estructura de árbol. En el problema
particular de la modelización de la relación lluvia-escorrentía,
la PG ha sido aplicada con el objetivo de realizar predicciones
en localizaciones específicas [2, 12] teniendo como resultado
expresiones complejas y difíciles de interpretar, sin desarrollar
modelos conceptuales que pudieran ser usados en la
comprensión de los procesos hidrológicos.
162
7.3 MÉTODO
En este capítulo nos centraremos en un nuevo método [5] de
computación evolutiva basado en el paradigma de evolución
diferencial, añadiendo la característica de longitud de
genotipo variable adaptado para trabajar con problemas de
predicción de series temporales especiales. Esta aproximación
se ha probado sobre datos de precipitaciones de lluvia para
poder predecir en tiempo real los cambios en el nivel de agua
de una cuenca y así poder construir un sistema de predicción
de inundaciones.
El término Evolución Diferencial (Differential Evolution, DE) fue
nombrado por primera vez en 1998 por Kenneth Price y Rainer
Storn [13]. Se trata de un potente algoritmo evolutivo utilizado
para resolver problemas de optimización sobre espacios de
búsqueda continuos. DE ha sido aplicado en diferentes
campos
en
los
que
ha
quedado
patente
su
buen
funcionamiento [4]. La esencia de esta técnica es la utilización
de tres operadores que serán explicados a continuación:
mutación, cruce y selección. Los dos primeros se utilizan para
generar los vectores candidatos y la selección determina
cuáles de ellos sobrevivirán a la siguiente generación.
163
7.3.1
Algoritmo de Evolución Diferencial básico
Inicialización y mutación
La población inicial se compone de un conjunto de NP
individuos generados aleatoriamente (xi,G, i=1..NP). En cada
generación, y para cada vector de la población, tres
individuos diferentes entre sí (random vectors) se eligen
aleatoriamente de la población anterior (estrategia general
de mutación). Seguidamente, se genera un vector de
mutación (mutant vector) del siguiente modo:
‫ݒ‬௜ǡீାଵ ൌ ‫ݔ‬௥ଵǡீ ൅ ‫ ܨ‬ȉ ሺ‫ݔ‬௥ଶǡீ െ ‫ݔ‬௥ଷǡீ ሻ
(1)
i=1...NP
Los vectores ‫ݔ‬௥௜ǡீ son elegidos de nuevo para cada individudo
de la población.
El parámetro F (factor de escala) intenta controlar el equilibrio
entre la explotación y exploración del espacio de búsqueda.
Cruce
Tras la generación de los vectores anteriores, se realiza la
operación de cruce para incrementar la diversidad del
espacio de búsqueda. Este paso se realiza en función de la
164
constante de cruce (CR), a la que se asigna un valor entre 0 y
1. Así, se generan los vectores de prueba ‫ݑ‬௜ǡீ (trial vectors),
donde cada una de sus componentes se calcula del siguiente
modo:
‫ݑ‬௝௜ǡீାଵ
‫ݒۓ‬௝௜ǡீାଵ ǡ ‫ܾ݀݊ܽݎ‬ሺ݆ሻ ൑ ‫ݎ݋ܴܥ‬
ۖ
݆ ൌ ‫ݎܾ݊ݎ‬ሺ݅ሻ
(2)
ൌ
‫ݔ ۔‬௝௜ǡீ ǡ ‫ܾ݀݊ܽݎ‬ሺ݆ሻ ൐ ‫ݎ݋ܴܥ‬
ۖ
݆ ് ‫ݎܾ݊ݎ‬ሺ݅ሻ
‫ە‬
j=1...D
1. D representa la dimensionalidad del problema.
2. randb(j) genera un entero aleatorio entre 0 y 1 para la
componente j.
3. rnbr(i) genera un entero entre 1 y D, que asegura que ui,G+1
obtiene como mínimo un parámetro de ‫ ݒ‬i,G+1.
Selección
Una vez que las dos operaciones previas han sido realizadas,
el vector de prueba se compara con el vector objetivo (target
vector); al tratarse de un problema de minimización, si el
vector de prueba obtiene un valor menor en la función de
165
coste, será incluido en la siguiente generación; en caso
contrario, se mantendrá el vector objetivo.
Aunque aquí sólo se ha presentado un esquema de mutación,
hay diferentes modos de implementar esta operación.
Dependiendo
del
problema,
una
estrategia
será
más
adecuada que otra. Algunos trabajos de investigación [11]
alternan diferentes estrategias y valores de parámetros en
diversas generaciones en función del valor de la función de
coste.
En [4] se establece una división de estrategias en los siguientes
grupos:
I.
RAND: los individuos de prueba se generan sin
información sobre los valores de la función objetivo.
II.
RAND/DIR: en este grupo las estrategias usan los
valores de la función objetivo para determinar la
dirección correcta.
III.
RAND/BEST: el mejor individuo se usa para construir el
de prueba.
IV.
RAND/BEST/DIR: combina las ventajas de los últimos dos
grupos.
La estrategia a elegir viene determinada por el problema y la
función objetivo.
166
7.3.2
Modificaciones incluidas en el método propuesto
Para poder aplicar este algoritmo al campo de la hidrología
hay que tener en cuenta algunas consideraciones. En primer
lugar, para la resolución de problemas como el planteado en
este capítulo es necesario calcular los parámetros que ajustan
una función para poder establecer una predicción basada en
correlaciones. Para ello una técnica habitual es establecer
una ventana temporal que englobe los valores anteriores al
instante temporal actual (t) para poder predecir el valor de la
función en el instante temporal (t+1). Un ejemplo de este tipo
de problemas sería la predicción de series temporales.
Si
se
quiere
aplicar
la
aproximación
de
evolución
diferencial a este tipo de problemas, es necesario realizar una
adaptación del algoritmo básico. Para ello, se propone que
los individuos pueden tener diferentes longitudes. Por un lado,
la longitud del mejor individuo proporcionará el tamaño de la
ventana temporal y cada uno de sus genes corresponde a
cada uno de los coeficientes que ponderan cada instante
temporal.
Para introducir la característica de longitud variable del
genotipo, se han añadido algunos cambios a las estrategias
generales de búsqueda explicadas anteriormente. Dado que
cada individuo puede tener una longitud distinta, esta es una
167
característica que condiciona en gran medida los procesos
de mutación y cruce:
Con respecto a la mutación, ésta incluye operaciones
aritméticas que deben ser definidas para ejecutarlas sobre
individuos de longitud variable. Por ello, se procede del
siguiente modo:
x Los operandos (individuos) de menor longitud, serán
completados con ceros hasta alcanzar la longitud del
operando con el que se va a realizar la suma, resta o
multiplicación. De este modo, el vector resultado tendrá la
longitud del operando de mayor tamaño. El hecho de
completar con ceros y no con valores aleatorios permite
que el vector resultante se parezca lo máximo posible a sus
antecesores.
x Una vez que se obtiene el vector de mutación, y con el
objetivo de evitar que la longitud de los vectores se
incremente como resultado de la operación anterior, se
aplica una operación de mutación de longitud: el vector
de mutación puede mantenerse, incrementar o disminuir su
longitud. El incremento/decremento escogido ha sido una
unidad, que será completada con un valor aleatorio. En
posteriores
trabajos
se
plantearán
incluyan ensayos con este parámetro.
168
experimentos
que
Xr1
Longitud = 4
xr1,G - xr3,G
Xr2
Longitud = 7
Xr3
vi,G+1=F * (xr1,G - xr3,G)+(xr5,G - xr7,G)
Xr4
...
Mutación de la longitud.
Opciones:
-Se mantiene (7)
-Disminuye en una unidad (6)
-Aumenta en una unidad (8)
xr4,G - xrn,G
Longitud = 7
Xrn
Vector de Mutación
Longitud = {6,7,8}
Figura 1: Esquema general del proceso de mutación.
En la figura 1 se representa un esquema general del
proceso de mutación propuesto.
Con respecto al cruce, se realiza como el clásico operador de
recombinación, con la salvedad de que se completa la
longitud del vector objetivo con ceros hasta alcanzar la del
vector de mutación, resultante de la operación anterior.
En cuanto a la operación de selección, se realiza como se ha
explicado anteriormente. En este caso, la función de coste
tiene en cuenta la longitud del individuo, penalizando a los de
mayor longitud.
7.4
RESULTADOS
Para evaluar el método los datos se han obtenido de forma
sintética, simulando un escenario de lluvias en un modelo
físico
a
escala
situado
en
169
el
Centro
de
Innovación
Tecnológica en Edificación e Ingeniería Civil [1]. Actualmente,
en el laboratorio de Hidráulica del Centro de Innovación
Tecnolóxica en Edificación e Enxeñería Civil (CITEEC) de la
Universidade da Coruña, existe un modelo experimental que
simula el efecto de la lluvia sobre una estructura metálica que
actúa a modo de cuenca, generándose, de este modo, una
escorrentía superficial.
El montaje utilizado hoy en día consta de las siguientes partes:
-
Estructura metálica
Se trata de una estructura metálica de planta
rectangular de dimensiones 2.0x2.5m. Está compuesta
de tres planos principales, cada uno de ellos con un 5%
de pendiente.
170
Figura 2: Esquema y dimensiones de la estructura metálica.
Alzado frontal de la estructura
-
Sistema hidráulico
Se trata de un emparrillado metálico colocado a una
altura de 70cm. A este emparillado se fija el sistema de
simulación
de
lluvia,
compuesto
por
tubos
de
polietileno conectados a un tubo principal que
suministra el agua. En los tubos van enroscados diez
difusores por línea separados entre sí unos 20 cm. Se
171
llevaron a cabo ensayos que demostraron que el agua
se distribuye, para esta configuración elegida, con una
adecuada homogeneidad.
-
Equipo para el registro de caudales
Se cuenta con una probeta de más de 30 litros de
capacidad que recoge el volumen de agua que sale.
Sujeta a esta, se ha colocado una sonda de calado
que, asociada al correspondiente software para PC,
mide los sucesivos niveles de agua en la probeta,
permitiendo conocer el caudal de salida. El agua
saliente entra directamente en el fondo de la probeta
a través de un embudo y un tubo conductor, tal como
se muestra en la siguiente figura. De este modo, se
minimizan las oscilaciones en la lámina de agua
mejorando la calidad de las medidas de la sonda de
calado.
172
Entrada de auga
Conexión software
Sonda de calado
Figura 3: Disposición de los elementos de recogida y
medición de caudales de salida
El procedimiento que se está siguiendo en la actualidad
consiste en la apertura del sistema de difusión de agua
durante un período determinado, para la posterior medición
de los caudales de salida. Se obtiene, de este modo, un
hidrograma que se utilizará en la validación de los modelos
numéricos y de los modelos generados por los modelos de
Inteligencia Artificial de transformación lluvia-escorrentía. La
ventaja principal de este diseño es su simplicidad, y a la vez, la
flexibilidad con la que permite simular situaciones un poco
más complejas. En la figura 4 puede verse este diseño
experimental en su actual ubicación, el CITEEC.
173
Figura 4: Colocación del diseño experimental en el
laboratorio de hidráulica del CITEEC
Hay varios métodos que calculan el proceso de lluviaescorrentía [14].
Para obtener una solución a este problema mediante
evolución diferencial, en este trabajo se intentará aproximar la
siguiente ecuación:
174
௣
௤
‫ݕ‬௧ ൌ σ௜ୀ଴ ߠ ߝ௧ି௜ ൅ σ௜ୀଵ ߮ ‫ݕ‬௧ି௜ (3)
Como se puede ver en (3), es necesario encontrar los valores
óptimos de p (tamaño de ventana temporal que engloba los
valores previos de entrada de la función) y q (tamaño de
ventana temporal que engloba los valores previos de salida
de la función) y los de los coeficientes θ (ponderación de los
valores anteriores de entrada) y φ (ponderación de los valores
anteriores de salida), que son los parámetros cuyos valores se
desean optimizar. Está claro que es necesaria la codificación
en longitud variable del problema.
7.4.1
Modelo artificial y configuración de los parámetros
El banco de pruebas usado en este trabajo ha sido obtenido
de una simulación de lluvia sobre un modelo físico mostrado
anteriormente. Como resultado se han obtenido las dos
gráficas representadas en la figura 5. La primera de ellas
representa la cantidad de lluvia caída en la cuenca. La
segunda
representa
el
caudal
de
agua producido
consecuencia de las precipitaciones de lluvia.
175
a
Figura 5: Entrada y salida de la simulación.
El algoritmo propuesto ha sido adaptado para que fuese
consecuente con el problema descrito.
En primer lugar, cada individuo es dividido en dos partes: una
que representa los coeficientes ߮i (i=0..p) y otra que
representa los coeficientes ߠj (j=1..q). Debido a la naturaleza
del problema, no tendría sentido combinar ambas partes en el
mismo proceso evolutivo. De este modo, cada parte de cada
individuo evoluciona independientemente, pero la función de
ajuste toma en consideración ambas partes conjuntamente.
En segundo lugar, siguiendo las conclusiones obtenidas en
[9] y [11] y en experimentos propios, la configuración de los
parámetros es la siguiente:
x Tamaño de población (NP) = 500
x Tasa de Cruce (CR) = 0.3
x Factor de escala (F) = 0.5
176
x La estrategia elegida pertenece al grupo RAND/DIR.
Siguiendo la nomenclatura de [13], la estrategia propuesta
ha sido DE/rand/2/bin. Consiste en la elección de cinco
individuos aleatorios de la población y operar con ellos
como se indica en (4):
‫ݒ‬௜ǡீାଵ ൌ ‫ݔ‬௥ଵǡீ ൅ ‫ ܨ‬ȉ ቈ
7.4.2
Se
൫‫ݔ‬௥ଶǡீ െ ‫ݔ‬௥ଷǡீ ൯
቉ (4)
൅൫‫ݔ‬௥ସǡீ െ ‫ݔ‬௥ହǡீ ൯
Discusión
han
usado
dos
aproximaciones
diferentes
para
compararlas con el método aquí presentado: Programación
Genética Clásica e Hidrogramas Unitarios.
Transformación lluvia-escorrentía (m3/s)
0,0004
0,0002
0
t (s)
Escorrentía Real
Programación Genética
Evolución Diferencial
Hidrogramas
177
Figura 6: Comparativa de las diferentes técnicas utilizadas.
Como se puede ver en la figura 6, el método propuesto se
ajusta
a
la
señal
deseada
mejor
que
las
demás
aproximaciones analizadas. De hecho, si comparamos el Error
Cuadrático Medio obtenido con cada técnica (tabla 1) se
puede apreciar que se obtiene menor error con la variante
de DE propuesta en este artículo.
Método
ECM
Programación Genética
2.50E-05
HIdrogramas Unitarios
1.79E-05
Evolución Diferencial
1.58E-05
Tabla 1
Los resultados anteriores se han obtenido del siguiento modo:
x El ECM correspondiente a los hidrogramas se ha calculado
mediante el software HEC-HMS [7]. Éste es un software que
permite calcular el hidrograma producido por una cuenca.
Si se le facilitan los datos físicos de la cuenca, de las
precipitaciones, etc., proporciona el hidrograma de salida
de la cuenca tanto en tabla como gráficamente.
178
x Los
resultados
correspondientes
a
los
algoritmos
de
programación genética se han obtenido mediante el
algoritmo propuesto en [12] para determinar el hidrograma
unitario de una cuenca urbana.
La siguiente ecuación (5) ha sido obtenida como resultado
de aplicar el algoritmo propuesto a los datos descritos
previamente y que produce los resultados obtenidos en la
tabla 1 y la figura 6:
‫ݕ‬௧ ൌ ͳǤͲʹͷ ȉ ࣟ௧ ൅ ͲǤͶ͸͵ ȉ ࣟ௧ିଵ ൅ ͲǤͷ͹ͻ ȉ ‫ݕ‬௧ିଵ ൅ ͲǤͳͳͻ ȉ ‫ݕ‬௧ିଶ
(5)
7.5
CONCLUSIONES
El objetivo de este capítulo es mostrar la aplicación de uno de
los pilares NBIC (Tecnologías de la Información) en hidrología,
ligando así la temática a la del capítulo X. Con este objetivo,
se ha comenzado con una breve introducción a la hidrología
y el problema del cálculo de la transformación lluviaescorrentía. Tras un recorrido por los métodos más usuales de
cálculo, el capítulo se ha centrado en una reciente técnica
de
computación
basada
en
computación
evolutiva:
Evolución Diferencial. Se ha usado en la construcción de un
laboratorio virtual que permite calcular la transformación
179
lluvia-escorrentía sin necesidad de construir un modelo físico
que la represente.
Los resultados se han comparado con dos de las técnicas de
mejor funcionamiento en predicción de trasformaciones lluviaescorrentía, y se ha obtenido que la aproximación aquí
presentada ofrece buenos resultados.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue parcialmente financiado por la “Dirección
Xeral de Investigación, Desenvolvemento e Innovación” de la
Xunta de Galicia (Ref. 08MDS003CT). El trabajo de Ana Freire
ha sido financiado por una beca FPI del Ministerio de Ciencia
e Innovación (Proyecto TIN2009-14203).
180
REFERENCIAS
[1] Cea L., Garrido M., Puertas J., Urban flood computations
from direct precipitation data using a two-dimensional
shallow water model. The 8th International Conference on
Urban Drainage Modelling. 7-12 Septiembre 2009. Japón.
[2] Dorado J., Rabuñal J. R., Pazos A., Rivero D. and Santos A.,
“Prediction
and
modeling
of
the
rainfall-runoff
transformation of a typical urban basin using ANN and GP”
Applied Artificial Intelligence, 2003, vol. 17, pp.329-343.
[3] Drecourt J. P., “Application of Neural Networks and
Genetic Programming to Rainfall-Runoff Modelling”. D2K
Technical Report, vol. 0699-1-1, Danish Hydraulic Institute,
Denmark, 1999.
[4] Feoktistov V., Differential Evolution. In search of solutions.
Springer, 2006.
[5] Freire A., Aguiar-Pulido V., Rabuñal J.R., Garrido M.,
“Genetic Algorithm based on Differential Evolution with
variable length. Runoff prediction on an artificial basin”,
Proceedings
of
the
International
Conference
on
Evolutionary Computation (ICEC), pp. 207-212. Valencia,
2010.
[6] Hydroworks.
User
Manual.
Wallingford, 1995.
181
Hydraulic
Research
Ltd:
[7] HEC_HMS,
http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-
hms/, Accedida por última vez: Abril 2010.
[8] Koza J. R., Genetic Programming. On the Programming of
Computers by means of Natural Selection. Cambrige, MA:
The MIT Press. 1992.
[9] Mayer D. G., Kinghorn B. P. and Archer A. A., “Differential
evolution – an easy and efficient evolutionary algorithm for
model optimization”, Agricultural Systems, vol. 83, pp. 315328, 2004.
[10]
Puertas J., Miguélez M., Sistemas de predicción en
hidrología mediante inteligencia artificial. Tecnologías de
la Información y las Comunicaciones en la Ingeniería Civil,
pp. 215-241. Ed. Fundación Alfredo Brañas.
[11]
Qin A. K., Huang V. L. and Suganthan P. N., “Differential
Evolution Algorithm with strategy adaptation for global
numerical
optimization”,
IEEE
Trans.
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Evolutionary
Computation, vol. 13, no. 2, April 2009, pp. 398-417.
[12]
Rabuñal
J.R.,
Puertas
J.,
Suárez
J.,
Rivero
D.,
Determination of the unit hydrograph of a typical urban
basin using genetic programming and artificial neural
networks. Hydrological Processes, vol. 21, pp. 476-485, 2007.
[13]
Storn R. and Price K. V., “Differential evolution-A simple
and
efficient
heuristic
for
182
global
optimization
over
continuous Spaces”, J. Global Optim., vol. 11, pp. 341-359,
1997.
[14]
Viessmann W., Lewis G. L. and Knapp J. W., Introduction
to Hydrology. New York: Harper Collins, 1989.
183
INTEGRAÇÃO DE DADOS BIOMÉDICOS
Joel P. Arrais, Sérgio Matos e José Luís Oliveira
Departamento de Electrónica, Telecomunicações e
Informática (DETI),
Instituto de Electrónica e Engenharia Telemática de Aveiro
(IEETA),
Universidade de Aveiro, 3810-193 Aveiro, Portugal
8.1
INTRODUÇÃO
Nos últimos anos assistiu-se a um aumento exponencial da
quantidade de dados disponível na área da biologia
molecular.
Este
crescimento
manifesta-se
não
só
pelo
contínuo incremento da informação armazenada por bases
de dados estabelecidas, como o UniProt [1] e o GenBank [2],
mas também pelo aparecimento de bases de dados
focalizadas em novos domínios.
O principal motor de criação de todo este conjunto de dados
consistiu
no
desenvolvimento
de
novas
técnicas
de
sequenciação e de monitorização da expressão génica em
larga
escala.
disponibilizados
O
facto
dos
publicamente
resultados
em
obtidos
bases
de
serem
dados
estruturadas veio criar novas oportunidades, permitindo a
185
aplicação de métodos estatísticos e computacionais para
inferir novas relações entre as entidades armazenadas, o que,
consequentemente contribuiu para o aumento dos dados.
Um exemplo recorrente é o conjunto de bases de dados de
interacção entre proteínas, como o InterPro [3], obtidas
através da aplicação de modelos computacionais a dados
pré-existentes.
Na realidade, os dados disponíveis, sejam eles originais ou
derivados, possuem um elevado interesse para responder a
novas questões biológicas. Estas questões requerem que
dados de várias fontes sejam relacionados de forma a extrair
relações
até
então
desconhecidas.
Por
exemplo,
um
geneticista interessado no estudo da obesidade em humanos
restringe o seu objecto de estudo a uma região de 5Mb do
cromossoma 1. No intuito de dar resposta a este problema, e
em alternativa a realizar experiências que analisem de uma
forma cega toda a região, recorre a uma base de dados
sobre a qual formula a seguinte pergunta: Existem genes nesta
região homólogos aos de alguns dos organismos modelo e
que estejam envolvidos na regulação do metabolismo de
lípidos? Encontrar uma resposta coloca um desafio técnico
nos
domínios
de
acesso
e
da
relação
entre
dados
proveniêntes de várias bases de dados geograficamente
dispersas e que possuem diferentes modelos de acesso e de
186
partilha (questão adaptada de [4]). A integração de dados
caracterizados pela sua heterogeneidade constitui mesmo
um dos maiores desafios ao desenvolvimento de ferramentas
capazes de extrair relações de dados biológicos. No caso
concreto dos microarrays, após a obtenção dos dados de
expressão e do cluster de genes de interesse, é imperativo
perceber o contexto biológico adjacente, pelo que o acesso
a estas bases de dados é essencial [5, 6].
Neste capítulo é realizado um levantamento das principais
bases de dados biológicas, das políticas de disponibilização
dos dados, assim como das condicionantes existentes. De
forma a facilitar a tarefa de aceder a fontes dispersas e,
consequentemente, o desenvolvimento destas aplicações, é
ainda proposta uma plataforma de integração de dados
biológicos (Gens).
8.2
MOTIVAÇÃO À INTEGRAÇÃO DE DADOS
BIOLÓGICOS
As primeiras bases de dados em biologia molecular eram
constituídas por repositórios de reduzidas dimensões que
continham informação relativa a um determinado tópico de
estudo. A difusão de técnicas laboratoriais em larga escala,
tais como microarrays, levaram ao crescimento, tanto em
187
dimensão como em número, destes arquivos, o que originou
uma
enorme
dispersão
e
fragmentação
dos
dados
representativos do conhecimento biológico.
De forma a colmatar esta lacuna foram propostos vários
repositórios a nível mundial com o objectivo de servirem de
ponto integrador. São exemplos o Ensembl [7], o UniProt [1], o
Entrez [8] e o KEGG [9]. Porém, a constante criação de novas
áreas de estudo e o aumento de dados derivados, obtidos
através do processamento dos dados originais, fez com que o
número total de bases de dados biológicas continuasse em
crescimento. Actualmente existem mais de 1170 bases de
dados disponíveis [10].
São dois os propósitos que justificam a integração de dados
biológicos. Primeiro, porque os dados relativos a uma
entidade biológica podem-se encontrar dispersos em várias
bases de dados. Por exemplo, para um gene a informação
relativa à sequência do nucleótido encontra-se armazenada
no GenBank, às vias metabólicas no KEGG Pathway e aos
dados de expressão no ArrayExpress [11]. A capacidade de
obter uma vista unificada destes dados é crucial para
compreender o papel desempenhado pelos genes. Uma
segunda razão reside no facto de bases de dados, sobre o
mesmo tópico de estudo, conterem dados incompletos,
188
redundantes ou sobrepostos. A integração destas bases de
dados permite a complementaridade da informação e a
detecção de incongruências através da comparação directa
dos dados armazenados.
Se, de início, o facto das bases de dados se encontrarem
dispersas não ter representado grande problema, visto cada
investigador se centrar num determinado domínio de estudo,
actualmente, cada vez mais se pretende uma visão holística
dos dados e, consequentemente, maior é a necessidade de
os integrar [12].
Microarrays
O resultado típico de uma experiência de microarrays é um
conjunto de ficheiros tabulares com os valores de expressão
de cada gene. Destes, e tendo em consideração o desenho
experimental, é obtida uma ou mais listas com os genes de
interesse. Estas podem ser provir da análise dos genes
diferencialmente expressos, ou da detecção de clusters de
genes. Em ambos os casos, a obtenção destas listas não
representa a finalização do estudo. É necessário, através do
recurso a informação armazenada em bases de dados
públicas, compreender como estes genes se relacionam, isto
189
é, quais os processos em que estão envolvidos e qual a sua
influência nesses mesmos processos.
Uma das técnicas utilizada apoia-se na realização de uma
análise funcional dos genes através do uso de uma ou mais
terminologias. Este procedimento, comummente aplicado
através do uso da Gene Ontology [5], tem sido expandido a
outros
conceitos,
tais
como
a
KEGG
Orthology,
vias
metabólicas [6] ou classes de homologias. Todavia, esta
metodologia depende directamente do acesso às bases de
dados que originalmente armazenam a informação e,
dependendo da questão biológica a endereçar, outras fontes
de dados podem necessitar de ser acedidas.
Biologia de sistemas
A biologia de sistemas tem por objectivo a compreensão do
comportamento de um determinado sistema biológico como
um todo. Para tal, é essencial o acesso a um vasto conjunto
de dados heterogéneos e de modelos matemáticos que
possibilitam a modelação e posterior simulação de sistemas
biológicos complexos. Em alguns projectos em que se simulou
o comportamento de organismos eucariontes foram usados
dados de enzimas, factores de transcrição, vias metabólicas,
redes de genes e dados de expressão génica [13]. Como
190
suporte a toda esta área está então a necessidade de
aceder de forma facilitada aos dados que originalmente se
encontram armazenados em bases de dados públicas.
Medicina genómica
Outra área em que a integração de dados é fundamental é a
medicina genómica. Nesta área trabalham geneticistas
humanos que procuram genes responsáveis por doenças
genéticas, fármaco-geneticistas interessados em perceber
como genes, ou grupos de genes, estão envolvidos na
resposta
diferencial, após
sujeição
a
um
determinado
fármaco, ou que procurem reunir dados biológicos, clínicos e
conhecimento
químico
no
desenvolvimento
de
novos
fármacos; e ainda clínicos que pretendam, em tempo real,
obter informação para tratamento dos pacientes.
Apesar da aparente multiplicidade de sub-disciplinas na área
da medicina genómica, existe um desafio comum que
consiste no estabelecimento de associações entre o genótipo
e o fenótipo. O genótipo é definido como a variação
genética individual determinada pela sequência de ADN,
sendo o fenótipo as características visíveis de um organismo
obtidas através da interacção entre o genótipo e o ambiente.
Neste contexto, faz sentido estudar as ligações entre
191
polimorfismos num genótipo e ou diferentes respostas de um
genótipo a um tratamento de uma determinada doença. É
então essencial integrar num esquema único a informação
relativa
a
toda
a
cascata
de
relações
que,
sobre
determinadas pressões ambientais, impelem um determinado
genótipo, a manifestar-se como fenótipo [14, 15].
8.3
POLÍTICAS DE DISPONIBILIZAÇÃO DE DADOS
As primeiras bases de dados biológicas consistiam em simples
páginas web, cujo conteúdo era adicionado através da
edição directa do código HTML. Estas tinham como propósito
a partilha dos dados de um estudo, ou projecto, com a
restante comunidade científica. No entanto, com o aumento
da complexidade das questões biológicas a endereçar a
necessidade de aceder programaticamente aos dados foi-se
tornando mais relevante. Para ultrapassar este problema,
foram inicialmente desenvolvidos parsers que, através da
análise do código HTML, extraíam a informação pretendida.
Contudo, rapidamente se tornaram evidentes as limitações
destes métodos. Primeiro, porque a mais pequena alteração
na formatação da página poderia invalidar o
parser
desenvolvido. Segundo, porque nem todas as páginas
possuíam
URL
acrescentar
a
explícito,
estes
invalidando
problemas,
192
os
a
abordagem.
intensivos
A
acessos
programáticos causavam degradação do desempenho para
os utilizadores do sistema.
Uma primeira solução consistiu na disponibilização de todo o
conteúdo da base de dados em ficheiros XML ou tabulares
num servidor FTP. Apesar da disponibilização dos dados para
processamento
local
ter
representado
um
avanço
significativo, estes métodos tornam-se limitados quando
apenas se pretende uma fracção dos dados totais.
De forma a colmatar esta lacuna foram propostas várias
soluções das quais as mais interessantes se baseiam no uso de
web
services.
Um
web
service
é
uma
interface
de
programação distribuída sobre a web que possibilita a
execução
de
operações
em
servidores
remotos.
Esta
tecnologia faz uso do protocolo http, para troca de
mensagens, e da linguagem XML para descrever o formato
da transmissão. Uma vantagem desta abordagem resulta do
facto de não ser dependente de nenhum sistema operativo
ou linguagem de programação.
No desenvolvimento de web services podem identificar-se
duas metodologias distintas: uma tradicional, designada de
SOAP
(Simple
Object
Access
Protocol),
e
outra,
conceptualmente mais simples mas que tem tido bastante
193
receptividade, denominada por REST (Representative State
Transfer).
Na
área
da
biologia
molecular,
ambas
as
aproximações têm sido usadas podendo-se, todavia, afirmar
que
a
baseada
em
SOAP
continua
a
ser
a
mais
representativa.
Um dos exemplos mais conhecidos do uso da tecnologia
SOAP é o sistema BioMoby [16]. O BioMoby define um padrão
de troca de mensagens baseado numa ontologia que
possibilita aos clientes a descoberta e a interacção com os
fornecedores do serviço sem a necessidade de
uma
manipulação directa dos formatos ou dos fluxos dos dados. Já
se
encontram
disponíveis
várias
aplicações
cliente
do
BioMoby, sendo a mais carismática o Taverna [17], que
possibilita a criação e execução de fluxos de tarefas sobre as
fontes de informação disponibilizadas.
Relativamente à tecnologia REST o sistema DAS (Distributed
Annotation System) [18] é o mais relevante. Este sistema
possibilita
a
disponibilização
de
dados
de
anotação
genómica. As anotações fornecidas possuem para cada
sequência, notas, observações e predições tais como a
identificação de exões (zonas codificantes dos genes), intrões
(zonas não codificantes dos genes) e a categorização de
repetições no genoma.
194
Uma comparação entre as duas tecnologias permite inferir
que a interface REST é mais indicada para realizar pedidos de
dados já pré-calculados enquanto os SOAP são mais
indicados para o processamento remoto de dados. Uma
revisão da evolução dos serviços biológicos actualmente
disponibilizados através de web services pode ser encontrada
em [19] e uma listagem completa no BioCatalogue 1.
Não obstante a importância dos web services, existem outras
estratégias de disponibilização programática de dados. O
Ensembl permite o acesso aos seus dados através de uma API
implementada em Perl e Java. Esta consiste na instanciação
de classes locais que mascaram uma interface de acesso à
base
de
dados
remota
do
Ensembl.
Apesar
de
funcionalmente semelhante aos web services, do ponto de
vista da arquitectura, a estratégia adoptada pelo Ensembl
diverge visto utilizar o acesso directo à base de dados. Porém,
esta estratégia pode apresentar problemas quando se acede
através de uma firewall.
1
http://beta.biocatalogue.org
195
8.4
LIMITAÇÕES NO ACESSO AOS DADOS
Se bem que essencial, a integração de dados apresenta
ainda vários desafios. A maioria dos dados armazenados está
publicamente disponível como ficheiros de texto semiestruturado ou através de interfaces web, e para os obter tem
que se aceder a cada base de dados, fazer download,
parsing e, finalmente, agregá-los num repositório único e não
redundante. Esta tarefa, para além de morosa, pode ser
surpreendentemente
difícil
devido
a
várias
limitações
encontradas.
Mapeamento de identificadores
Um dos maiores problemas na área da biologia molecular
decorre do facto de cada uma das bases de dados existentes
utilizar referências através de “accession numbers” ou através
do uso de terminologias próprias. A principal questão é que
cada base de dados possui a sua própria estratégia de
identificação. Apesar de várias bases de dados já possuírem
informação relativa a referências cruzadas, esta continua
incompleta.
196
Dimensão dos datasets a integrar
Com a actual dimensão dos conjuntos de dados biológicos é
inevitável surgirem problemas de consistência, sincronização e
actualização. No entanto, os maiores desafios apresentam-se
não pelo efectivo tamanho dos dados mas mais pela
quantidade de elementos individuais a integrar e pelo número
de inter-relações existentes.
Heterogeneidade das bases de dados
Um dos obstáculos à integração advám da heterogeneidade
existente entre as bases de dados. Com isto pretende-se referir
que cada base de dados possui uma interface distinta para
acesso e obtenção dos dados dificultando, deste modo, a
tarefa de explorar e adquirir os dados pretendidos. Entretanto,
um maior impedimento reside na heterogeneidade ao nível
da semântica pois, apesar dos esforços de unificação já
realizados,
diferentes
terminologias
continuam
a
ser
empregues por bases de dados distintas.
Gestão de versões
O acesso a fontes de dados distintas é ainda frequentemente
dificultado pelo desconhecimento da versão da base de
dados em utilização. Na realidade, devido à constante
197
mutação da informação armazenada, o resultado de um
estudo realizado hoje pode diferir do resultado alcançado
alguns meses depois. Esta dificuldade pode ser ultrapassada
através do registo de todos os dados intermédios obtidos da
análise. Isto é especialmente relevante quando se realizam
pesquisas complexas que abrangem múltiplos tipos de dados
e bases de dados distintas.
8.5
ABORDAGENS À INTEGRAÇÃO DE DADOS
Pese o consenso existente quanto à necessidade de integrar
dados biológicos, o mesmo não acontece no que se refere ao
método para proceder à integração. Nesta secção são
revistos os três principais métodos de integração: hiperligação,
mediador e warehouse.
A integração baseada em hiperligações foi a primeira e
continua a ser a mais bem sucedida aproximação à
integração de dados biológicos [4]. O motivo deste sucesso
radica na sua semelhança com a própria web. No contexto
da biologia molecular a questão coloca-se no facto de existir
um incremento no número de bases de dados com
informação de interesse. Para obter esta informação o
investigador necessita de individualmente aceder a cada
base de dados e de manualmente pesquisar a informação
198
pretendida. Para além disso, uma vez que cada base de
dados possui a sua própria interface, o utilizador tem que
“aprender” a navegar em cada uma das bases de dados. De
forma a resolver este problema e simplificar a tarefa do
investigador, foram desenvolvidos sistemas que agregam
hiperligações de acesso directo às bases de dados biológicas.
Deste modo, o utilizador apenas necessita de aceder a um
sítio web e de fornecer o critério de pesquisa uma única vez,
devolvendo o sistema a informação disponível em todas as
bases de dados integradas. Algumas implementações não
armazenam
quaisquer
dados
localmente,
sendo
os
identificadores, necessários à construção do url, obtidos,
aquando da execução, através de um mecanismo de
crawling. No entanto, noutras implementações desta técnica,
uma base de dados local é usada para o armazenamento
dos identificadores previamente obtidos. Exemplos desta
metodologia são DiscoveryLink [20] e DiseaseCard [21].
Na integração baseada em mediadores é criada sobre as
fontes de dados uma vista unificada que é fornecida ao
utilizador. Através do uso deste método, o motor do mediador
reformula durante a execução, a questão solicitada numa ou
em várias questões que são colocadas sobre as respectivas
bases de dados. Os resultados são então agregados e
processados de forma a alcançar um resultado final que é
199
devolvido ao utilizador. Exemplos da utilização deste método
são o BioMediator [22] e o SEMEDA [23].
Por fim, a integração de dados baseada na metodologia
warehouse consiste na integração física de múltiplas fontes
numa base de dados local, de forma a possibilitar a
execução de questões directamente nesta base de dados e
não nas fontes originais. A utilização de warehouses implica o
desenvolvimento de um modelo unificador que possibilite
acomodar toda a informação já armazenada nas bases de
dados originais. Adicionalmente, é também necessária a
existência de scripts que acedam às fontes de dados no
intuito de obter e processar os dados, fazendo com que estes
correspondam ao esquema unificador local. Após este passo
inicial de configuração, a warehouse pode ser usada para
responder a questões suportadas pelas fontes de dados
originais, assim como a questões que necessitem da relação
de conceitos armazenados em múltiplas bases de dados.
8.6
GENS: PLATAFORMA DE INTEGRAÇÃO DE DADOS
BIOLÓGICOS
O acesso integrado a fontes de dados dispersas constitui um
elemento
basilar
no
desenvolvimento
de
aplicações
bioinformáticas. O modelo proposto, designado de Gens
200
(Genomic Name Server), tem por objectivo facilitar o
desenvolvimento de novas aplicações que necessitem de
aceder a dados, sem terem que se preocupar com a
camada de acesso, obtenção e processamento.
As
escolhas
efectuadas
ao
nível
do
modelo
de
armazenamento tiveram como principal propósito responder
a uma série de requisitos, tais como eficiência, flexibilidade e
escalabilidade do sistema. Como resultado, não se chegou a
um modelo único mas sim a um conjunto de dois. Um de base,
designado modelo físico, responsável pelo armazenamento
efectivo dos dados independentemente do seu formato ou
da sua origem, e um de topo, conceptual designado de
meta-modelo, responsável pela definição dos dados a
integrar e a armazenar. Sobre este último assentam os
mecanismos de obtenção de dados e a ele acedem as
aplicações externas, tais como GeneBrowser e Quext, que
usam como fonte integradora de dados uma implementação
do
modelo
proposto
(
Figura 2).
Bases de dados integradas
O
primeiro
passo
na
construção
do
sistema
de
dados visa a selecção das bases de dados e na identificação
201
dos métodos mais adequados para os extrair. O esquema da
Figura 3 ilustra as bases de dados e os respectivos métodos de
acesso empregues. Sistematizando, as bases de dados usadas
foram:
-
ArrayExpress2: Esta base de dados possui dados de
experiências de expressão genética e foi acedida
através do uso da interface SOAP [11];
-
BioMart3: Esta base de dados, que corresponde a uma
interface alternativa aos ao Ensembl, foi seleccionada
2
http://www.ebi.ac.uk/microarray-as/ae/
3
http://www.biomart.org/
202
pelas
facilidades
oferecidas
na
selecção
personalizada dos dados pretendidos [7, 24]. Os dados
são obtidos por meio da interface SOAP;
-
NCBI4: O NCBI (National Center for Biotechnology
Information) [25] possui uma vasta colecção de bases
de dados (Entrez Gene, Taxonomy, Pubmed, ReSeq,
GenBank e OMIM), que foram integradas com recurso
à importação dos dados disponibilizados em formato
tabular;
-
ExPASy5:
A
base
de
dados
ExPASy
(Expert Protein Analysis System) [26]
do
SIB
(Swiss
Institute of Bioinformatics), focalizada na análise da
sequência e estrutura de proteínas, foi integrada
através de ficheiros tabulares;
-
UniProt6: A base de dados UniProt [1], constituída pela
versão curada (SwissProt) e pela versão não curada
(TrEMBL), foi integrada pela obtenção dos dados no
formato XML;
-
PharmGKB7: Esta base de dados armazena informação
relativa ao impacto que variações genéticas possuem
4
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
5
http://www.expasy.ch
6
http://www.uniprot.org
7
http://www.pharmgkb.org
203
na resposta a fármacos e foi integrada recorrendo-se
ao download de ficheiros tabulares [27];
Figura 2. Modelo de integração constituído pelo modelo físico
e pelo modelo conceptual.
-
KEGG8: O KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and
Genomes) [9] possui uma representação completa da
célula, do organismo e da envolvência que permite a
predição computacional de processos celulares e de
informação molecular. Apesar de o KEGG possibilitar a
8
http://www.genome.jp/kegg
204
obtenção de dados por meio de vários métodos foi
seleccionado o uso de ficheiros tabulares;
-
Gene Ontology9: O GO (Gene Ontology) [28] consta
de um vocabulário controlado que possibilita a
descrição de genes e de produtos de genes em
qualquer organismo. Os dados foram obtidos através
do parsing do ficheiro de texto disponibilizado no
formato OBO (The Open Biomedical Ontologies) [29];
-
InterPro10: A base de dados InterPro [3] consiste num
repositório de famílias de proteínas, domínios, regiões e
repetições já identificadas em proteínas conhecidas
que possam ser usadas no processo de descoberta de
novas. A obtenção dos dados desta base de dados foi
realizada pela análise dos mesmos no formato XML.
9
http://www.geneontology.org
10
http://www.ebi.ac.uk/interpro
205
Figura 3. Bases de dados integradas no Gens.
Não obstante as bases de dados apresentadas apenas
representarem uma pequena porção das existentes, algumas
delas são, já por si, hubs integradores, pelo que o resultado
final redunda num conjunto alargado de conceito e relações
biológicas. Deste modo, ao integrar estes dados numa
instância única, foram obtidos mais de 500.000 genes únicos,
cerca de 50 milhões de identificadores e 50 milhões de
relações entre entidades biológicas, o que perfaz um total de
100 milhões de entidades biológicas sobre um único esquema.
206
Meta-modelo de integração de dados
As bases de dados apresentadas cobrem um vasto conjunto
de áreas de estudo, podendo ser usadas na resolução de
questões biológicas complexas que necessitem de relacionar
vários conceitos [30]. No entanto, é necessário construir um
modelo que integre os conceitos biológicos de cada base de
dados, assim como as relações existentes entre estes.
O meta-modelo obtido,, teve como especial foco a análise
de estudos de expressão génica, pelo que a selecção das
classes de dados a integrar e as relações apresentadas
reflectem isso mesmo. Este apresenta-se como uma rede de
conceitos centrados na proteína visto a maioria das relações
derivarem desta unidade. Optou-se pelo uso da proteína e
não do gene, enquanto conceito central, pelo facto de um
gene poder dar origem a mais do que uma proteína.
Directamente associados com cada proteína estão outros
conceitos: o organismo a que a proteína pertence, a sua
sequência, a sua localização genómica e os seus nomes
alternativos. Estão também relacionadas diversas entidades,
tais como doenças genéticas, informação de fármacos e seus
respectivos genes alvo. As vias de sinalização possuem uma
relação múltipla com o gene, visto um gene poder encontrar-
207
se em várias vias de sinalização e, de igual modo, uma via de
sinalização possuir vários genes.
Modelo físico
O meta-modelo apresentado contém informação relativa às
classes de dados a considerar e às respectivas relações.
Numa aproximação comum, este modelo poderia mesmo ser
convertido em modelo relacional e ser usado na base de
dados para o armazenamento dos dados a integrar. Esta
estratégia, embora mais directa, apresenta várias limitações,
na medida em que a adição de uma classe implica
alterações no modelo físico de armazenamento. A opção
seguida passou pelo estabelecimento de um modelo físico de
armazenamento, suficientemente genérico, de forma a
suportar
o
meta-modelo
anterior,
assim
como
futuras
evoluções do mesmo.
Requisitos do modelo físico
Foram
estabelecidos
os
seguintes
requisitos
na
implementação do modelo físico:
-
De modo a que a implementação do modelo seja
usável, o seu esquema tem que ser fácil de
compreender e de manter. Para tal, vários esforços
208
foram colocados no desenvolvimento de um esquema
com um limitado número de tabelas;
-
É fundamental que o sistema seja escalável em
dimensão, de forma a conter vários gigabytes de
dados e centenas de milhões de entidades biológicas;
-
O sistema deve também ser escalável em termos do
número de bases de dados armazenadas, o que deve
ser obtido sem necessitar de alterar o esquema da
base de dados;
-
Quanto aos dados armazenados, é necessário que
sejam acessíveis através do uso de vários métodos.
Para tal, é possível pesquisar no sistema através do uso
de web services e uso directo de sql;
-
Mesmo contendo uma elevada quantidade de dados,
o sistema está obrigado a ser eficiente de modo a
possuir tempos de resposta baixos para as pesquisas
mais frequentes. Este aspecto é de especial
importância, pois esta ferramenta serve para
responder a perguntas definidas pelo utilizador, assim
como de plataforma ser usada como fonte de dados
por outras ferramentas. De modo a atingir este
objectivo, os
identificadores
dos
genes
são
armazenados numa tabela distinta dos dados
referentes a entidades biológicas, assim como são
adicionados índices nas colunas associadas com os
critérios de pesquisa mais comuns;
-
O sistema deve ainda incluir a possibilidade de
guardar várias versões da mesma base de dados.
Justificação para o uso de warehouse
209
Tendo em consideração os requisitos impostos e atendendo às
características específicas de cada um dos métodos de
integração, optou-se pelo uso de warehouse. Uma descrição
mais detalhada dos argumentos, que justificam o uso de
warehouse e que são apresentados de seguida, pode ser
encontrada em [31].
-
Desempenho: A warehouse é o único método em que
o tempo de obtenção dos resultados depende
unicamente de factores locais (processador, memória,
disco), ao contrário dos restantes que estão
dependentes do atraso da comunicação dos dados e
do tempo de processamento de servidores remotos.
Este aspecto é especialmente relevante para a
execução de questões complexas, que requerem a
decomposição da questão original em várias subquestões;
-
Restrições de acesso: Ao contrário da warehouse,
algumas das fontes de dados não disponibilizam
mecanismos de pesquisa sobre as suas bases de dados
(web services, url directo), e outras incluem
mecanismos nas suas interfaces (tais como variáveis de
sessão, cookies, etc) que dificultam o uso de métodos
de acesso remoto.
-
Disponibilidade: As restantes metodologias, por
oposição à warehouse, não permitem garantir a
qualidade do serviço devido à incontornável
dependência da disponibilidade de fontes de dados
externas. Assim, o serviço prestado pode ficar
210
compremetido no decurso de uma avaria no servidor;
porque os métodos de acesso aos dados foram
alterados; ou, por exemplo, se a construção de um url
se alterar, um procedimento não invulgar numa web
sempre em constante evolução. Em qualquer dos
casos o acesso à base de dados torna-se indisponível,
e com agravamento destes serem usualmente
resolvidos com intervenção humana;
-
Processamento
dos
dados:
Outro
problema
apresentado pelas restantes metodologias que não a
warehouse consiste na dificuldade em manipular e
processar o conjunto de dados como um todo. No
caso da integração baseada em links, a unidade
atómica é a própria página web, pelo que não é
possível distinguir elementos. Mesmo os mediadores
que oferecem uma maior granularidade, ao
permitirem a manipulação directa de elementos, têm
dificuldade em aceder a todos os detalhes.
-
Gestão de versões: a warehouse é a única
abordagem que possibilita a monitorização da versão
de cada uma das bases de dados usadas,
funcionalidade não muito relevante em pequenos
projectos mas essencial em projectos de maior
dimensão.
Descrição do modelo físico
O modelo implementado no Gens é baseado num modelo
hierárquico centrado na proteína, no qual todas as relações
211
são construídas tendo por base os identificadores de proteínas
associados. A motivação para centrar o modelo na proteína,
e não no gene, reside no facto deste último se apresentar
como um conceito mais geral, na medida em que cada
gene, devido a vários mecanismos biológicos, poder dar
origem a várias proteínas. Deste modo, se o modelo estivesse
centrado no gene, estar-se-ia a perder informação relativa a
associações únicas entre proteínas e outras entidades
biológicas.
O esquema da base de dados do Gens encontra-se na Figura
3.
Figura 4. Esquema da base de dados do Gens
212
De seguida são descritos em pormenor os conceitos aplicados
no desenho da base de dados:
-
Organism: Armazena a informação taxonómica, sendo
que cada entrada corresponde ao organismo. Esta
tabela pode ser considerada como a raiz do modelo,
pois dela dependem todas as proteínas. É registado
para cada organismo informação detalhada como o
seu nome científico e a sequência de referência;
-
Protein: Guarda a informação de cada proteína. Esta
informação inclui a localização no cromossoma, a
sequência do gene e da proteína, assim como as
relações para a tabela Identifier e BioEntity;
-
Identifier: Contém informação relativa a nomes e
identificadores alternativos para a proteína em
questão;
-
BioEntity: Armazena informação relativa a todas as
entidades biológicas associadas com a proteína.
Apesar de não existir uma lista fechada de elementos
que podem constituir esta lista, esta inclui entradas em
ontologias, vias metabólicas e doenças;
-
DataType: Define, cada entrada uma classe à qual um
conjunto de identificadores de entidades biológicas ou
de genes pertence. Este conceito é distinto do de
base de dados, na medida em que tanto uma base
de dados, pode possuir mais de um tipo de dados (por
exemplo, o KEGG possui o KO, para ortologias, e o
KEGG Pathway, para vias metabólicas), como o
mesmo tipo de dados pode ser usado em várias bases
213
de dados (por exemplo, o geneid é usado para
identificar um gene humano no Entrez e no KEGG).
-
BioEntityDescription: Recolhe-se nesta tabela a
informação relativa à descrição dos elementos
armazenados na BioEntity.
A organização hierárquica não se limita a simplificar o
esquema da base de dados (tornando o sistema mais fácil de
perceber
e
de
manter),
como
também
permite
um
melhoramento no desempenho do sistema. O sistema obtido
é bastante flexível devido à forma como os elementos são
mapeados. A adição de um novo tipo de elemento biológico,
como uma via metabólica, por exemplo, apenas requer a
criação de um novo tipo de dados, o estabelecimento da
correspondente
descrição
por
BioEntityDescription
e,
finalmente, a inserção de relações entre vias metabólicas e
proteínas por ProteinBioEntity. Este esquema está ainda
preparado para acomodar dados derivados.
Mapeamento entre o modelo conceptual e o modelo físico
A estratificação do modelo em dois níveis, físico e conceptual,
foi
concretizada
possibilidade
de
tendo
a
com
adição
de
principal
fontes
argumento
de
dados
a
sem
necessidade de alterar o esquema físico de armazenamento
dos dados. Exemplefica-se de seguida como o conjunto de
214
base de dados apresentado é mapeado no modelo
conceptual e como estes dados são armazenados no modelo
físico.
O primeiro passo consiste em, para cada base de dados
através do uso do método de parsing adequado, analisar e
extrair as relações pretendidas. A título de exemplo, para o
UniProt é necessário analisar o ficheiro XML, sendo depois,
para cada elemento, correspondente a uma proteína
extraídas as relações de acordo com o modelo conceptual.
Deste modo, para cada proteína, elemento central do
modelo, o parser extrai as relações associadas, tais como os
identificadores de genes alternativos, a sequência, as vias de
sinalização ou os fármacos associados. É desta forma que o
modelo conceptual é iterativamente construído.
Após a análise e extracção das relações de todas as fontes
de dados, procede-se à persistência dos dados através do
modelo físico. Cada
entrada de proteína no modelo
conceptual é registada na tabela Protein, que armazena
ainda a sequência genética e genómica. A cada entrada de
proteína
organismo
encontra-se
associada
correspondente.
No
uma
modelo
entrada
com
conceptual,
o
as
associações relativas a alternative ids são guardado na tabela
Identifier, sendo estabelecida uma associação com a tabela
215
DataType,
que
define
univocamente
qual
o
tipo
de
identificador usado. De seguida, as restantes associações são
recolhidas na tabela BioEntity. Por exemplo, o elemento
Pathway, no modelo conceptual, é armazenado na tabela
BioEntity, sendo a associação com a proteína estabelecida
pela tabela ProteinBioEntity. A indicação de que uma entrada
na tabela BioEntity corresponde a um determinado elemento
do modelo conceptual é definida pela tabela DataType.
Ainda, caso o elemento em questão possua uma ou mais
descrições,
estas
podem
ser
conservadas
na
tabela
BioEntityDescritpion.
A adição de uma classe biológica ao meta-modelo, situação
bastante comum, não implica alterações no esquema da
base de dados. São, portanto, evidentes as vantagens que
esta aproximação apresenta quando comparada com a
tradicional.
Exemplo de utilização
O seguinte exemplo demonstra um de vários cenários de
utilização do Gens: um investigador pretende obter a rede de
conceitos relacionada com o gene ‘sce:Q0085’.
Começa por se determinar o identificador interno da proteína
através da tabela Identifier. Com este identificador pode
216
então, chegar-se à lista dos identificadores de genes
alternativos. Seguidamente e através do acesso à tabela
Protein, é possível conseguir informação genérica tal como a
sua sequência ou a sua localização cromossomal. Dando
sequência a este processo e por meio da consulta da tabela
BioEntity são encontradas todas as entidades biológicas
directamente relacionadas como o gene em questão, tais
como
homologia,
bibliografia,
dados
de
expressão,
ontologias, vias de sinalização ou enzimas. Por fim, informação
mais detalhada sobre cada uma destas entidades pode ser
encontrada na tabela BioEntityDescription. Seguindo este
procedimento de navegação, é agora possível saber, por
exemplo, para a via metabólica ‘sce00190’, identificada
como contendo o gene ‘sce:Q0085’, todos os genes
directamente associados. Para tal é necessário perceber
todas as relações inversas entre a tabela BioEntity e Protein.
217
Figura 5. Exemplo que ilustra o uso do Gens para obter a rede
de conceitos associados com o gene ‘sce:Q0085’.
Utilização pública
O acesso ao Gens encontra-se disponível através de dois
métodos: queries SQL efectuadas directamente sobre a base
de dados e uma interface de web services.
O recurso a queries SQL é aconselhado para acessos
intensivos e para questões que necessitem de relacionar
simultaneamente
um
número
218
elevado
de
entidades
biológicas. Neste caso, é necessária a instalação de uma
instância local com uma dimensão aproximada de 10 GB. O
download da base de dados, assim como informação
detalhada sobre a instalação encontra-se disponível em
http://bioinformatics.ua.pt/applications/gens.
Em alternativa, é possível pesquisar na base de dados através
da
interface
de
web
services,
http://bioinformatics.ua.pt/GeNS/WS/.
disponível
Os
em
métodos
implementados fazem uso da flexibilidade do esquema do
Gens para, através de um número limitado de métodos,
conseguir expressar um conjunto abrangente de questões.
Estes permitem a listagem dos tipos de dados e proteínas
armazenados, a pesquisa por organismos e proteínas e a
dupla conversão entre entidades biológicas e identificadores.
8.7
CONCLUSÃO
Neste capítulo foi apresentada uma revisão das principais
bases de dados biológicas, dos métodos de acesso aos dados
e das estratégias de disponibilização. É ainda proposta uma
plataforma de integração de dados biológicos, que possibilita
o acesso centralizado a fontes de dados dispersas. O modelo
proposto, designado de Gens (Genomic Name Server), tem
por objectivo facilitar o desenvolvimento de novas aplicações
219
que necessitem de aceder a dados, sem terem que se
preocupar
com
a
camada
de
acesso,
obtenção
e
processamento.
O problema da integração de dados biológicos apresenta-se
como um dos mais relevantes problemas da bioinformática. O
principal factor diferenciador da plataforma proposta consiste
no estabelecimento de dois níveis de armazenamento: um de
base,
designado
modelo
físico,
responsável
pelo
armazenamento efectivo dos dados independentemente do
seu formato ou da sua origem; e um modelo de topo,
designado de meta-modelo, responsável pela definição dos
dados a integrar e a armazenar. A solução proposta, para
além de simples, permite garantir a eficiência, flexibilidade e
escalabilidade do sistema. A instância actual do Gens integra
9 bases de dados que totalizam 500.000 de genes únicos com
cerca de 100 milhões de entidades biológicas.
O Gens já foi usado como base no desenvolvimento das
aplicações
bioinformáticas
GeneBrowser
[32]
(http://bioinformatics.ua.pt/gb2) que permite realizar uma
análise funcional a um conjunto de genes e Quext [33] (Query
Expansion Tool – http://bioinformatics.ua.pt/quext) que usa
expansão de termos para optimizar pesquisas sobre o
PubMed.
220
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MEDLINE," BMC Bioinformatics, vol. 11, p. 212, 2010.
224
PROYECTOS DE INTEGRACIÓN DE INFORMACIÓN
MOLECULAR EN UN HOSPITAL ACADÉMICO
Sonia Benítez, Daniel Luna, Paula Otero y Fernán Quirós
Depto. de Informática en Salud – Hospital Italiano de Buenos
Aires
9.1
INTRODUCCIÓN
Con los avances de la Medicina Genómica, más pacientes
tendrán
enfermedades
reconocible
que
con
deberían
un
componente
poder
ser
genético
manejados
apropiadamente[1]. Los profesionales de la salud que hoy por
hoy son competentes para tener en cuenta las necesidades
de la genética médica estarán preparados para hacer frente
a los avances en la medicina genómica a medida que
aparezcan, mientras que los profesionales de la salud que
desconocieran conceptos básicos de la genética médica
pondrían a sus pacientes en riesgo de no recibir el mejor
cuidado disponible.
El mejoramiento del acceso a internet en la práctica
asistencial también provee oportunidades en la actualización
225
de
la
información
genética
como
guía.
Diversas
organizaciones están desarrollando sistemas de soporte a la
toma de decisiones en el punto de atención para los
profesionales de atención primaria. Estos sistemas incorporan
materiales de educación básicos, a veces combinados con
guías
clínicas,
incluyendo
recomendaciones
para
la
derivación a especialistas cuando fuera necesario.
Un número de factores convergen para
promover la
educación continua y en la integración de la genética en la
práctica. El creciente interés de los profesionales y los
administradores de salud en los sistemas electrónicos de
manejo de datos puede ayudar a llevar el contenido
genético al punto de atención, especialmente con la Historia
Clínica Electrónica (HCE). Esto tiene implicancias importantes
para el mejoramiento de las aplicaciones de la historia
familiar, el cual es central en la atención médica basada en la
genética[2].
El objetivo de este artículo es describir algunos de los
proyectos
de
integración
de
información
molecular
y
genética, tales como los Programas de Farmacogenómica y
el de Cáncer Hereditario, en el ámbito de un Hospital
Universitario
de
alta
complejidad
información en salud.
226
con
un
Sistema
de
9.2 HOSPITAL ITALIANO DE BUENOS AIRES
El Hospital Italiano de Buenos Aires es un hospital universitario
de alta complejidad fundado en 1853, cuyos pilares han sido
desde
sus
comienzos
la
asistencia, la
docencia
y la
investigación.
Pertenece a una red sanitaria sin fines de lucro junto con un
segundo
hospital
con
25
centros
ambulatorios
y
150
consultorios particulares, mas de 150 mil afiliados y con una
cobertura de 1,5 millones de pacientes.
227
En la red trabajan 6300 personas (2300 médicos asistenciales,
2500 agentes del equipo de salud, 1500 administrativos) que
asisten a 2.500.000 de consultas ambulatorias y 50.000 egresos
anuales que se distribuyen en sus 750 camas (200 de cuidado
críticos).
Es pionero en procedimientos que requieren la más alta
complejidad, tanto en el ámbito de Argentina como en el de
Latinoamérica. Se realizan más de 240 trasplantes por año.
Además cuenta con Sistema de información Clínico, con
Servicios terminológicos, la Historia Clínica electrónica (HCE),
sistema de PACS y el Portal Personal de Salud (Personal Health
record)
228
La HCE, es el sistema web con toda la información médica del
paciente
orientada
a
problemas,
tanto
clínica,
de
prescripción de fármacos, como de estudios por imágenes.
Esta
herramienta
profesionales
del
se
encuentra
Hospital
en
a
todo
disposición
momento
de
y
los
lugar,
permitiendo un acceso inmediato a la información, y
brindando gran seguridad a los pacientes.
A su vez, en Docencia cuenta con más de 40 especialidades
médicas, más de 30 programas de residencias médicas y 34
programas de fellowships. Para cubrir las 70 plazas del
programa de residencias del último año, se presentaron 1.400
aspirantes.
Además cuenta con una Universidad con carreras de
Medicina, Enfermería, Farmacia y Bioquímica, brindando a la
comunidad más de 60 cursos de posgrado, con modalidad
presencial o a distancia, a través de su Campus Virtual.
En el campo de investigación, como parte de la institución, se
encuentra el Instituto de Ciencias Básicas y Medicina
Experimental (ICBME) centro de investigaciones básicas y
aplicadas que desarrolla tecnologías y conocimientos para
luego ser transferidos a la medicina asistencial.
229
Además de profundizar los estudios que se refieren a medicina
regenerativa, a trasplante celular y a células madre, el Instituto
ha creado la Unidad de Medicina Molecular y Genómica,
destinado a mejorar el diagnóstico de enfermedades y
establecer tratamientos diferenciales para cada paciente.
Se encuentran, a su vez el Comité de Ética de Protocolos de
Investigación (CEPI) que tiene a su cargo la función de
evaluar la viabilidad de los protocolos de investigación tanto
desde el punto de vista técnico como ético, así como el
Comité de Investigación Clínica (CIC), cuyo objetivo es
estimular y promover el desarrollo de la investigación clínica
dentro de la Institución.
9.2.1 Centro de Excelencia de Informática Médica para la Región
Latinoamericana
El recientemente creado Centro de Investigación y Educación
en Tecnologías e Informática para la Salud (CIETIS), parte
integrante del Departamento de Informática en Salud, se
encarga de los proyectos de investigación en Informática en
Salud.
La Beca Fogarty del año 2009, que tiene financiación del NIH
para crear un Centro de Excelencia de Informática Medica
para la Región Latinoamericana, fue concedida, entre otras
230
instituciones, a la Oregon Health and Science University (OHSU)
para combinar su programa de Informática y Epidemiologia
con la del HIBA y desarrollar un programa focalizado en
Clinical and Translational Research Informatics (CTR).
El programa Fogarty de entrenamiento en Informática para la
Salud Global tiene como objetivo incrementar la expertise en
Informática en Salud en los países en desarrollo, a través del
entrenamiento de científicos en el diseño de sistemas de
información
y
gestionen
y
realicen
análisis
sobre
investigación biomédica mediado por computadoras.
231
la
9.3 PROGRAMA DE FARMACOGENÓMICA
Un tratamiento aplicado a dos personas con la misma
enfermedad
puede
producir
resultados
secundarios
distintos.
Además
de
los
y/o
efectos
condicionantes
ambientales, uno de los factores determinantes ante la
efectividad y toxicidad de un fármaco son los genes[3]. El
estudio de las variaciones genéticas a la respuesta al fármaco
se llama farmacogenética en el estudio de un gen individual,
o farmacogenómica en el estudio de todos los genes[4].
La variabilidad en los genes que codifican para las proteínas y
otras dianas de los medicamentos está relacionada con la
eficacia y toxicidad de los fármacos. Un mayor conocimiento
científico de estas moléculas permitirá optimizar la terapia
farmacológica. De hecho ya existen Tests comerciales que
están disponibles y la FDA ha sugerido que se incluya la
información genética al iniciar el uso de la warfarina. De esa
manera la farmacogenómica se encargará de estudiar cómo
diferentes individuos, con características genéticas distintas,
responden de manera distinta a los medicamentos[3, 4].
232
9.3.1 Experiencia en el HIBA
El Programa de Farmacogenómica en el HIBA comprende el
desarrollo de proyectos de investigación, tendientes a generar
evidencia que sustente recomendaciones para el uso de los
distintos
análisis
farmacogenómicos
y
de
las
prácticas
específicas en aquellos casos en que ya exista suficiente
justificación científica.
El programa está liderado por la Sección Farmacología Clínica
del Servicio de Clínica Médica y la Unidad de Medicina
Molecular y Genómica del ICBME.
El objetivo del programa, en esta primera etapa es promover
la utilización de los análisis farmacogenómicos en la actividad
asistencial, para
luego
poder
establecer
de
alertas
y
recordatorios en la HCE. Para ello se encargara de : la
identificación de los principales genes polimórficos que
codifican isoenzimas biotransformadoras, transportadoras o
sitios de acción de drogas específica; la jerarquización de las
isoenzimas con mayor aplicabilidad práctica con el objeto de
establecer una secuencia de desarrollo; el desarrollo de las
técnicas más apropiadas para la identificación de las
variantes genéticas seleccionadas; la puesta a punto de las
técnicas específicas; la determinación de la frecuencia de
233
cada polimorfismo en la población argentina a partir de
muestras del banco de ADN del HIBA, la comparación de las
frecuencias de los polimorfismos entre la población general y
población de pacientes con patologías que justifican el uso
de drogas afectadas por estos polimorfismos; el análisis de
polimorfismos entre pacientes con respuestas exageradas,
insuficientes o con efectos adversos a determinados fármacos;
los estudios de predicción de la concentración plasmática y
resultado terapéutico para casos seleccionados.
En la primera Fase, que se ejecuto entre de Marzo y
Septiembre de 2009, se redactó el documento final, se
presento y se empezó a trabajar sobre algunas prácticas
(HLAB*5701, CYP3A5, CYP2C9 / VKORC, CYP2D6 y CYP2C19).
Entre Octubre de 2009 y Junio de 2010 se siguió con otras
prácticas (UGT1A1, CYP2C8, TMPT, CYP2B6, CYP1A2, NAT2,
CYP2E1 y DPD). En la actualidad se sigue trabajando para
incorporar mas practicas.
En la siguiente figura se ve el modulo de Solicitud de prácticas
de la HCE donde se ven la prácticas farmacogenómicas
solicitadas:
234
Solicitud de prácticas farmacogenómicas desde la HCE
Las Prácticas que en la actualidad ya están disponibles en la
HCE son: el test de hipersensibilidad al abacavir, la tipificación
de
K-RAS
y
sensibilidad
farmacogenómico
de
al
cetuximab,
CYP2C9
y
el
VKORC1,
estudio
para
medicamentos anticoagulantes orales (CYP2C9 y VKORC1),
antidepresivos (CYP2D6, SLC6A4 y CYP2C19); Psicofármacos,
transportadores: ABCB1; la tipificación molecular de UGT1A1 y
relación con la toxicidad por irinotecan; el CYP3A5, para
tacrolimus; la farmacogenómica de CYP2B6.
235
Se encuentra en desarrollo la armonización del resultado que
se entrega al paciente, lo cual implica la codificación y
control del vocabulario utilizado. Esto permitirá la creación de
reglas que serán el sustento de las alertas y recordatorios.
9.4 PROGRAMA
DE
SEGUIMIENTO
(PCCR)
COLORRECTAL
DE
PROGRAMA
Y
CÁNCER
DE CÁNCER
HEREDITARIO (PRO.CAN. HE)
9.4.1 Programa de Seguimiento de Cáncer colorrectal (PCCR)
El Programa de seguimiento de Cáncer colorrectal, se
encuentra en proceso. El desarrollo del Programa está a cargo
de la Sección de Coloproctología, del Servicio Cirugía
General, de la Unidad de Medicina Molecular y Genómica,
del
ICBME;
Anatomía
Gastroenterología,
del
Patológica,
Servicio
de
la
Clínica
Sección
de
Médica
e
Informática Medica y Bioestadística y Epidemiologia del DIS
Los objetivos de este programa son el seguimiento de la
población afectada de Cáncer colorrectal, de Cáncer
Hereditario
y
la
Creación
de
reportes
para
realizar
intervenciones y seguimiento. En la siguiente figura se resume
el flujo de trabajo e información.
236
Flujo de información del PCCR
De diferentes sistemas (HCE, sistema de gestión de pacientes –
Sistema ADT -) se creara un padrón o listado de pacientes que
tengan diagnostico de Cáncer colorrectal o similar. Este
listado se auditara y según los resultados se hará la
intervención seguimiento de pacientes y registro del mismo.
9.4.2 Programa de Cáncer Hereditario (Pro.Can.He)
Desde fines del año 1996 la Sección de Coloproctología del
Servicio de Cirugía General del HIBA, comenzó a trabajar en
un programa dirigido a pacientes y familiares afectados por
tumores hereditarios.
237
La iniciativa nació luego de reconocer las primeras nueve
familias tratadas por Síndrome de Lynch (Cáncer colorrectal
No Asociado a Poliposis-CCNAP) y se inspiró en los diferentes
programas que funcionan en los principales centros del
mundo.
El programa tiene su espacio tanto en la Página web del HIBA
[4] como en el Campus Virtual, donde además de la
información propia del grupo se promueve la capacitación
interna de los profesionales, tal como se puede ver en las
siguientes figuras.
Página web de acceso al Pro.Can.He
238
Espacio de Capacitación interna del Pro.Can.He en el
Campus Virtual
Entre las actividades más importantes es la de brindar a los
pacientes la disponibilidad de realizar estudios genéticos,
permitiendo así detectar precozmente grupos familiares de
riesgos.
El
objetivo
fundamental
del
PROCANHE
es
lograr
un
adecuado manejo de los cánceres hereditarios. Los pilares
para lograr este objetivo son:
1.
Educación, al paciente, familia y comunidad.
239
2.
Pautas enfocadas en la prevención y tratamiento del
cáncer colorrectal.
3.
Centralización
de
los
datos
para
facilitar
la
colaboración y realización en los estudios de investigación.
Este Registro se haya reconocido en la Internacional Society
for Gastrointestinal Hereditary Tumors (InSIGHT), y su director es
actual integrante del consejo del Internacional Collaborative
Group of the Americas.
Como parte de esta tarea en el año 2008 se creó en la HCE un
registro estructurado específico del Pro.Can.HE que permite el
ingreso preciso de datos en cada consulta médica, que luego
permite el seguimiento de pacientes. A continuación se
pueden apreciar algunos módulos de la misma:
240
Registro estructurado del Pro.Can.He en la HCE: modulo de
datos generales
241
Registro estructurado del Pro.Can.He en la HCE: modulo de
estudios genéticos previos
242
PORTAL PERSONAL DE SALUD DE SALUD: I-TALIANO
Existe acuerdo sobre recomendar la promoción de la
educación sobre genética médica a los profesionales, pero
también se deben establecer métodos más efectivos y
eficientes para obtener y actualizar la historia familiar del
paciente. También se debe dar poder al paciente para que
tome responsabilidad sobre estas tareas, para lo cual diversas
propuestas informáticas o basadas en la web han sido
desarrolladas[5]. Dentro de estas propuestas podríamos incluir
a los Personal health record.
El Portal Personal de salud del HIBA es el Personal health record
o HCE del paciente y es una herramienta que el HIBA puso al
servicio de su comunidad en el año 2007.
El proyecto se inicio en Octubre 2007 y en la actualidad ya
hay 33.521 personas registradas, de las cuales el 87% son del
Plan de Salud, el 75% ingresaron más de 1 vez, la edad
promedio de los pacientes es de 47 años y el 20% son mayores
de 65 años.
Aquí el paciente puede tener un rol activo, ya que le permite
conocer al instante información sobre su salud, comunicarse
con su médico y acceder a los servicios del Hospital. El sistema
243
promueve la participación activa de las personas en el
cuidado de su salud, incentivando la prevención y la toma de
decisiones responsables.
En la actualidad hay 33.521 personas registradas
x
87% son del Plan de Salud
x
75% ingresaron más de 1 vez
x
Edad promedio 47 años
x
20% son mayores de 65 años
Los ingresos por año han ido aumentando desde su
lanzamiento como lo muestra la figura a continuación:
Ingresos al Portal Personal por año
Toda la información está personalizada de acuerdo a:
x
Información Demográfica
244
x
Información/opciones que el paciente elige
x
Problemas de Salud / Diagnósticos
x
Programas Médicos
x
Médicos
tratantes
que
envían
información
directamente al Portal Personal de Salud del Paciente
A esta herramienta web se puede acceder desde la página
principal del HIBA como se puede observar en la siguiente
figura:
Acceso al Portal Personal de Salud a través de la página
principal del HIBA
245
Luego de ingresar el usuario y contraseña correspondiente se
accede al Portal Personal de salud, propiamente dicho.
Página Principal del Portal Personal de Salud y acceso a las
funcionalidades
Desde este portal el paciente puede a través del menú que
presenta: buscar a los profesionales, centros médicos y
especialidades; solicitar online atención tanto con el médico
de cabecera, como especialistas; ver las derivaciones,
interconsultas y los turnos que el paciente tomó y la posibilidad
de cancelar turnos tomados; ver los medicamentos prescriptos
246
en la HCE , vigentes y el stock disponible en las farmacias de
Plan
de
Salud;
solicitar
el
envío
de
Medicamentos
directamente desde el Portal a la dirección y en el horario que
el paciente indique; actualizar sus datos personales; imprimir
documentación para realizar los pagos del Plan de Salud;
enviar un mensaje a su médico de cabecera y ver resultados
de los laboratorios e imprimirlos desde su casa. Se resumen
esas funcionalidades en las siguientes figuras.
Visualización de resultados de laboratorio desde la Página
Principal del Portal Personal
247
Visualización de medicación desde la Página Principal del
Portal Personal
El uso de este portal tiene el gran potencial de actualizar la
información del paciente en la HCE
lo que plantea la
posibilidad que el mismo paciente pueda poner al día su
información familiar en la HCE, así como otra información de
interés.
248
AGRADECIMIENTOS Y CONTACTOS
Proyecto de Informática en Salud del HIBA
x
Dr.
Fernán
Quirós,
Vicedirector
Medico
de
Planeamiento Estratégico
o
x
[email protected]
Dr. Daniel Luna, Jefe del Departamento de Informática
en salud
o
x
[email protected]
Dra. Paula Otero, Gerente de Productos y Staff de
Informática medica
o
x
[email protected]
Dra. Sonia Benítez, Residente de Informática Medica
o
[email protected]
Comunicación Institucional
x
Marisa Kapucian
o
[email protected]
Proyecto de Farmacogenómica
x
Lic. María Ana Redal. Jefa de la Unidad de Medicina
Molecular y Genómica. Jefa de Farmacogenómica.
x
Dr.
Waldo
H
Belloso.
Jefe
Farmacología Clínica del HIBA.
249
de
la
Sección
de
x
Dra. Paula Scibona. Becaria de Perfeccionamiento de
la Sección de Farmacología Clínica del HIBA
o
[email protected]
Proyecto de seguimiento de Cáncer colorrectal/Pro.can.he
x
Dr.
Carlos
Vaccaro.
Jefe
de
la
Sección
de
Coloproctología
o
[email protected]
Proyecto de Portal Personal de Salud
x
Ing. Marcela Martínez. Jefa de Desarrollos para el Plan
de salud
o
x
[email protected]
Dr. Carlos Otero. Jefe de la Sección de Terminología y
Documentación Clínica
o
[email protected]
250
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EviMed
10.1 INTRODUCCIÓN
Desde el siglo XVII, la producción de conocimiento científico
se aceleró rápidamente año a año [1]; durante los últimos 20
años se han realizado más descubrimientos que en el resto de
la historia de la Humanidad. Este escenario de superproducción de conocimiento científico también genera un
problema a los grupos de investigación para poder hacer
llegar sus resultados a su población objetivo sin que estos
pasen desapercibidos entre la inmensidad de información
disponible.
Desde sus orígenes en 1989, la World Wide Web (WWW) fue
concebida por el Consejo Europeo de Investigación Nuclear
(CERN) como un medio para el intercambio de información
253
científica entre grupos de investigación, rol que cumplió con
creces; de hecho, ni el más optimista de sus arquitectos jamás
habría pensado que dicha infraestructura iba a evolucionar
hasta los niveles que hoy tiene, con tan sólo veinte años de
existencia.
Pero
la
infraestructura
web
y
los
altísimos
niveles
de
interconexión planetaria que ha alcanzado han permitido la
creación de nuevas aplicaciones que faciliten la interacción
entre la población, mucho más allá del intercambio de
información científica para el cual fue concebida. La
popularidad de las redes sociales como Facebook o LinkedIn
hoy permiten a las personas interactuar y comunicarse entres
sí con extrema facilidad aprovechando una serie de servicios
interactivos conocidos como “web 2.0”. Un buen ejemplo de
red social aplicada a temas médicos son las agrupaciones de
pacientes diabéticos; a través de la plataforma electrónica los
mismos comparten experiencias, prácticas, recetas médicas y
demás interacciones que cuando son compartidas aportan a
la calidad de vida de los integrantes de la red, aunque sin un
impacto significativo sobre el conocimiento, comportamiento
o estado de salud de sus integrantes [2].
Una red social, cuando está conformada por grupos mas
reducidos de personas altamente capacitadas en algún tema
254
específico, se convierte en una comunidad de practica. Las
comunidades
de
práctica
[3]
significan
cooperación
profesional interdisciplinaria para optimizar el desempeño de
los profesionales. Corresponden a “un grupo de personas que
comparten una preocupación, un grupo de problemas o una
pasión sobre una temática y que profundizan en su
conocimiento y experticia a través de la interacción continua
entre sus integrantes” [4].
En toda comunidad de práctica se identifican ciertos
componentes comunes, que se destacan a continuación [5]:
Áre
ad
a
Comunidad
de práctica
tic
Antecedentes
ác
Pr
ec
on
oc
im
ien
to
Liderazgo y patrocinio
Interacción
Participantes
Participación
Necesariamente tiene que haber un liderazgo claro, y algún
tipo de patrocinio que permita cubrir los costos mínimos de
operación;
sin
estos
dos
elementos,
la
comunidad
seguramente nunca alcance índices altos de participación,
interacción y –en definitiva- valor. Una articulación bien
255
diseñada sobre un área de conocimiento definida que facilite
la interacción entre los participantes favorece el proceso de
“darle sentido” a los datos para transformarlos en información,
que en el caso de la investigación es nuevo conocimiento y
en el caso de la práctica médica es conocimiento tácito o
mindlines (concepto definido más adelante).
10.2 APLICACIONES A LA INVESTIGACIÓN Y
DISEMINACIÓN
Durante el ciclo de vida de un nuevo conocimiento resultado
de una investigación – desde que se inicia la exploración
hasta que es aplicado regularmente en la práctica clínica- se
pueden
identificar
dos comunidades
de
práctica que
participan en dicho proceso:
1. Los grupos de investigación: creadores del nuevo
conocimiento, muchas veces trabajando en
forma distribuida geográficamente e integrando
múltiples instituciones y organismos.
2. Los consumidores del nuevo conocimiento: son
los grupos de interés que van a aplicar en su
práctica diaria los resultados de la investigación.
El
proceso
de
256
diseminación
del
nuevo
conocimiento generado tiene como publico
objetivo a estos grupos.
Las comunidades de práctica pueden contribuir tanto en el
proceso de creación como en el de diseminación del nuevo
conocimiento:
Investigación
Tipo de red:
Comunidad de práctica
Integrantes:
Investigadores
Moderadores: Lideres de la investigación
Objetivos:
Diseminación
Comunidad de práctica
Profesionales de la salud
Lideres de opinión
Explotación
Red social
Población beneficiaria
Auto-organizado
Facilitar estudio
1.
Enterar
Compartir información
Estimular debate
2.
Lograr aceptación
Grupos de auto-apoyo
Crear espacios de reflexión
3.
Convencer de aplicabilidad
Espacios de colaboración
4.
Capacitar para aplicar
Medios de comunicación
5.
Comenzar aplicación
Repositorios de información
6.
Convencer del beneficio
Compartir experiencia
7.
Recolectar evidencia
Obtener feedback
---------------------------Generar nuevo
conocimiento
Lograr adhesión
-------------------------------
Generar conocimiento tácito,
aplicable en la practica
diaria
257
La siguiente figura muestra a los actores involucrados en el
proceso
de
investigación
y
diseminación
del
nuevo
conocimiento, así como también muestra donde podrían
aprovecharse las ventajas de las comunidades de práctica y
de las redes sociales:
Pacientes
Medicos
Referentes
Prensa Sociedades
cientificas
Equipos Familiares
de salud
Investigacion
Evidencia
Organizaciones medicas
Universidades
Industria
Asociaciones
El proceso de investigación (concepción de la idea ->
pregunta de investigación -> justificación del problema ->
análisis de viabilidad -> revisión de literatura -> construcción
del marco teórico -> definición de hipótesis, …) es, por
definición,
un
multidisciplinario,
trabajo
iniciado
de
a
reflexión,
través
de
preferentemente
discusiones
u
observaciones de hechos, investigaciones anteriores u otras
fuentes de inspiración. La gran mayoría de las ideas iniciales
258
son vagas y requieren un análisis para ser transformadas en
planteamientos precisos y estructurados, así como también de
una revisión exhaustiva de antecedentes para evitar investigar
en un tema que ya ha sido estudiado muy en profundidad.
Las comunidades de práctica son ámbitos ideales para este
tipo de actividad, la cual puede ser realizada a distancia,
entre grupos dispersos geográficamente, involucrando a más
expertos y disciplinas. La propia comunidad puede ser
utilizada por el grupo de investigación, luego de generado el
nuevo conocimiento, para realizar otras actividades de tipo
“peer reviews” como ser validación de hipótesis, adquisición
de datos de campo, revisión de publicaciones, y demás
tareas propias de los grupos de investigación.
Luego
de
generado
el
nuevo
conocimiento,
los
profesionales de la salud difícilmente utilicen en su practica
clínica directamente la nueva evidencia científica que
proviene de los grupos de investigación. Más allá de la
importancia de los procesos estandarizados basadas en la
evidencia científica (como, por ejemplo, las guías clínicas), es
sabido
que
los
profesionales
cambian
su
práctica
principalmente a través de las llamadas “mindlines” [6],
definidas como guías tácitas, internalizadas por el profesional
y reforzadas a través de la interacción colectiva. Estas
mindlines se generan a partir de lecturas breves, de la
259
experiencia personal, de la interacción con los pares y líderes
de opinión, representantes de la industria farmacéutica,
pacientes y otras fuentes de conocimiento tácito; todas estas
interacciones
pueden
suceder
naturalmente
en
una
comunidad de práctica. La alimentación de la comunidad de
practica con mindlines puede ser realizada y monitoreada por
el propio grupo de investigación. Estas comunidades de
práctica orientadas a la diseminación de nuevo conocimiento
pueden involucrar a lideres de opinión, representantes de
sociedades científicas, instituciones de asistencia médica,
industria farmacéutica y estudiantes de posgrado entre otros
potenciales interesados.
Adicionalmente,
las
comunidades
de
práctica
ofrecen
beneficios a las instituciones donde los profesionales de la
salud se desempeñan. Si bien la medicina es una práctica
multidisciplinaria, no todos los médicos cuentan con un equipo
interdisciplinario en su lugar de trabajo; muchas veces se
enfrentan a sus pacientes sin el encuadre institucional que les
permita reflexionar y transformar su práctica, en el contexto
aislado
del
consultorio
individual.
En
este
sentido,
las
comunidades de práctica pueden ofrecer a los médicos
oportunidades no solamente para su propia formación
profesional
y
–además-
enriquece
260
a
los
grupos
de
investigación con feedback de campo de una manera
costo/efectiva.
En este sentido, el uso de comunidades de práctica basadas
en las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC)
crece notoriamente en todo el mundo como una forma de
adecuar las estrategias de investigación y de contribuir al
trabajo colaborativo interdisciplinario, así como también ser
una herramienta de apoyo eficiente y efectiva para la
diseminación del nuevo conocimiento generado. Las TIC
posibilitan, entre otros elementos:
La
cooperación
de
profesionales
dispersos
geográficamente.
El
involucramiento
investigadores,
de
un
estudiantes,
mayor
numero
evaluadores,
testers
de
y
demás participantes del proceso de investigación.
La creación de ámbitos de debate y reflexión entre
mayor cantidad de participantes
La realización de actividades asincrónicas en la
modalidad individual y grupal, acorde al tiempo y
horario disponible de cada participante.
La elaboración
enfoque
colectiva de conocimientos con
interdisciplinario
colaborativas en línea.
261
mediante
actividades
El concepto de comunidad de práctica no se asocia
exclusivamente al ámbito virtual; la comunidad puede tener
componentes presenciales que se apoyan en la plataforma
virtual principalmente para el establecimiento de la red de
contactos y la publicación de conclusiones de las actividades
presenciales. Al mismo tiempo, una comunidad de práctica
puede apoyarse en medios impresos para distribuir sus
principales avances o conclusiones a través de canales
existentes con un público objetivo bien definido.
Las comunidades de práctica, entonces, pueden utilizarse
para facilitar el proceso de investigación a través de la
introducción de nuevos medios que permitan a un publico
ampliado -pero conocedor profundo del tema- participar en
todo el ciclo de vida de la producción científica, desde la
concepción inicial por parte del grupo de investigación
pasando por el debate, discusión y reflexión necesario, su
posterior validación hasta llegar a la etapa de diseminación
del nuevo conocimiento que permita su aplicación en la
práctica cotidiana.
La creación de comunidades de práctica se convierte,
de estas maneras, en un elemento estratégico para optimizar
la performance de los equipos de investigación y como una
262
herramienta vital para permitir una rápida diseminación del
nuevo conocimiento generado.
10.3 EXPERIENCIAS EN CREACION DE COMUNIDADES DE
PRACTICA
EviMed
cuenta
con
experiencia
internacional
en
la
conformación de comunidades de práctica utilizando TIC
[7][8]; lo viene haciendo exitosamente desde 2004 en
Uruguay, y desde 2007 en Puerto Rico. La creación de una
comunidad de práctica es un proceso delicado que requiere
de tres elementos esenciales:
x
Líderes, expertos en un tema específico, que le
den respaldo científico a la comunidad y dirijan
el curso de la misma.
x
Equipos multidisciplinarios con una metodología
probada que diseñen un conjunto de productos
y servicios que atienda las necesidades del
colectivo que se desea abordar, ofrezca un nivel
y calidad de servicio superior al esperado y
estimule/anime la participación.
x
Un patrocinio que permita solventar los costos
operativos de la comunidad; el pago por
263
suscripción de los miembros de la red no ha
demostrado ser una forma sustentable de iniciar
una comunidad de práctica.
Los equipos de trabajo multidisciplinarios del staff permanente
de
EviMed
(comunicadores,
médicos,
bibliotecólogos,
informáticos) se complementa para cada tema a abordar
con expertos en dicha área de conocimiento – provenientes
de Universidades, sociedades científicas, u otros organismos
reconocidos. El aval académico de las actividades realizadas
siempre es aportado por una Universidad local (del país
donde se desarrolla la actividad).
Generalmente en cada área de especialidad donde se
desee crear una comunidad de práctica, siempre es posible
264
invitar a patrocinadores que deseen invertir en el soporte
financiero de la comunidad, ya sea a cambio de publicidad
dentro de la plataforma o como forma de apoyo al proyecto
de investigación. En el caso de la Educación Medica
Continua,
la
industria
farmacéutica
dispone
de
rubros
presupuestales para financiar este tipo de actividades de
comunidad, ya sea a través de becas para participar en las
actividades educativas o a través de publicidad directa.
10.4 IMPORTANCIA DE LA METODOLOGÍAS
Lamentablemente, es frecuente encontrar propuestas de elearning para el área de la Salud provenientes de empresas
tecnológicas o universidades que enfatizan el potencial de
Internet y otras TIC por sí mismas, o bien de los contenidos
educativos por sí mismos, cuyos resultados en el aprendizaje
son pobres o inexistentes y generan gran insatisfacción en los
médicos al reforzar el aislamiento profesional y/o la brecha
digital producto de las limitaciones en el manejo de las
herramientas informáticas (especialmente en los médicos
mayores). Estas propuestas carecen de ningún tipo de diseño
metodológico que articule tecnologías y contenidos de
acuerdo a las necesidades y expectativas de los médicos y
otros profesionales de la Salud.
265
A la hora de proponerse crear una comunidad de practica –
ya sea para apoyar la investigación o para facilitar la
diseminación- es estratégico poner fuerte énfasis en las
actividades de interacción; esto es la publicación en una
plataforma electrónica de materiales de calidad en conexión
con actividades interactivas coordinadas por expertos que
permitan a los investigadores o a los médicos poner en juego
sus conocimientos previos y problemas de la práctica, en
diálogo con sus pares y con los especialistas.
Parte de la
metodología deberá incluir necesariamente instrumentos de
medición, que permitan crear una línea de base, habilitar
mediciones constantes y retroalimentar el diseño original para
ir adecuando las comunidades a las cambiantes realidades.
Esta estrategia sigue la tendencia de las redes sociales que
ejemplifican con máxima claridad el impacto de las ofertas
de interacción social en la Web y su efecto potencial en los
procesos de investigación, enseñanza y aprendizaje.
10.5 OPORTUNIDAD PARA LA RED NBIC
La aplicación de este instrumento en el marco de la red NBIC
se visualiza como una oportunidad para fortalecer los vínculos
entre los participantes de la red existente, montando una
plataforma que facilite la comunicación entre los integrantes
266
de los equipos y que les provea de una herramienta adicional
que facilite el proceso de investigación en si mismo y también
la difusión de los resultados obtenidos.
Entre los objetivos del proyecto IBERO-NBIC se encuentran:
1
Creación
de
una
comunidad
amplia
de
científicos y tecnólogos
2
Formación
(biólogos,
médicos,
nuevos
investigadores)
3
Difusión (transferencia a la industria, divulgación
a población, decisores),
4
Gestión
de
conocimiento,
recomendaciones
publicas - mantener la confianza de la población
5
Desarrollo de modelos de escenarios y conocer
percepción social
6
Aplicación
a
enfermedades
complejas
–
adhesión al tratamiento
7
Divulgación a comunidad científica y público en
general
8
Actividades de formación on-line y presenciales
9
Análisis de impacto (social, económico)
10
Creación de web site del grupo: dinámico vs
estático vs red
267
La creación de comunidades de práctica que integren a los
involucrados en cada grupo de investigación contribuye a
todos
los
objetivos
del
proyecto
IBERO-NBIC:
en
el
fortalecimiento de las propias comunidades (integración),
acciones educativas dirigidas a médicos (mejores prácticas),
investigadores
(formación),
pacientes
(adhesión
al
tratamiento) y población en general (mantener la confianza
en las NBIC). También en medición de impacto (grupos
intervención y control), y en definitiva comunicar todos los
conocimientos generados por los propios grupos integrantes
de la red NBIC en forma efectiva y de alto impacto.
La red IBERO-NBIC es un ámbito donde la introducción de
comunidades de practica puede ofrecer altos beneficios
tanto en el apoyo al proceso de investigación como a la
diseminación de los nuevos conocimientos generados dado
que ya se cuenta con los elementos esenciales para una
comunidad de práctica exitosa: áreas de conocimiento
definidas, referentes internacionales en dichas áreas (líderes),
patrocinios, vínculos con la industria, grupos de investigación
dispersos geográficamente, reuniones presenciales periódicas
y un medio impreso de comunicación hacia el exterior (el
libro). En este contexto, el principal aporte de una comunidad
de práctica sería facilitar la interacción entre sus miembros
268
para estimular el intercambio creando espacios de debate y
reflexión.
De esta manera, las disciplinas Nano, Bio y Cogno pueden apoyadas en la disciplina Info- ser más eficientes durante el
proceso de investigación y además proyectar sus resultados a
un público más amplio introduciendo comunidades de
práctica específicas para dar soporte a cada investigación y
comunidades de práctica particulares para los públicos
Investigación
Publico
masivo
objetivo que se quiera abordar.
N
B
C
I
El hecho de disponer de una plataforma basada en TIC para
facilitar la investigación permite realizar mediciones de
impacto con mayor precisión y esfuerzos significativamente
menores. Las plataformas electrónicas que administran el
funcionamiento de la comunidad de práctica recolecta en
forma automática información sobre uso y acceso que puede
269
ser utilizada con fines estadísticos. Por ejemplo: la realización
de encuestas sobre un determinado punto puede escalarse
fácilmente a múltiples países donde el representante local del
grupo de investigación es el encargado de la captación de la
información local, y luego esta puede ser analizada en forma
agregada por los investigadores del grupo discriminando, por
ejemplo, según país, sexo, edad o formación de los
participantes.
También habilita la realización de intervenciones masivas, a
nivel
intercontinental.
De
esta
manera,
el
grupo
de
investigación no solo es responsable de la generación de
conocimiento, sino también de la diseminación del mismo.
Además, facilita la generación de capacidades locales en
temas específicos de interés del grupo de investigación; un
excelente
ejemplo de
iniciativa
de
este
tipo
son
las
actividades de formación realizadas a nivel iberoamericano
por el Hospital Italiano de Buenos Aires [9] (integrante de la red
NBIC).
CONCLUSIONES
Las comunidades de práctica basadas en TIC permiten hacer
más eficiente el trabajo de los grupos de investigación,
habilitando un cambio en la forma de investigar y generar
270
conocimiento basado en un modelo participativo y de alta
interacción;
estas
instrumentos
existentes,
durante
los
herramientas,
procesos
pueden
de
complementarias
–además-
ser
diseminación
del
a
los
utilizadas
nuevo
conocimiento.
La
identificación
de
líderes
científicos,
el
apoyo
de
patrocinadores (incluir a la industria), y la aplicación de una
metodología probada (comprensión de las necesidades
específicas, diseño participativo y realista, involucrando a
instituciones locales) son tres elementos esenciales para que la
comunidad de practica sea exitosa.
Subestimar el esfuerzo que implica la creación de una
comunidad de práctica exitosa es un error frecuente que lleva
a la existencia de múltiples iniciativas con escasa o nula
actividad. El valor agregado de una comunidad de práctica
se mide en la calidad de las participaciones que cada
integrante hace al colectivo con su contribución personal influenciada por la diversidad de experiencias y perspectivas.
La articulación necesaria para que estas dinámicas sucedan
no deberían ser responsabilidad directa de los líderes de la
comunidad, sino preferentemente de grupos multidisciplinarios
(comunicadores, educadores, profesionales de la salud,
informáticos, etc.) que, trabajando en forma transversal, crean
271
las
condiciones
para
que
tanto
los
líderes
como
los
participantes realicen su mayor aporte sin distraerlos con
aspectos
operativos
propios
comunidad.
272
del
funcionamiento
de
la
REFERENCIAS
[1] SCImago Journal
[2] Balsa, Gandelman.The Impact of ICT on Health Promotion:
A Randomized Experiment with Diabetic Patients, InterAmerican Development Bank, Department of Research and
Chief Economist. IDB WORKING PAPER SERIES No. IDB-WP-221,
2010
[3] Parboosingh JT. Physician communities of practice: where
learning and practice are inseparable. J Contin Educ Health Prof.
2002; 22(4): 230-236.
[4] Wenger, E. Communities of Practice. Learning, meaning and
identity. Cambridge University Press, 1998.
[5] John Parboosingh, People tools for knowledge transfer – the
role of communities of practice. Health Research Transfer Network
of Alberta –RTNA- 2008
[6] Soubbi, Bayliss, Fortin, Hudon, Akker, Thivierge, Posel, Fleiszer.
Learning and caring in communities of practice: using relationships
and collective learning to improve primary care for patients with
multimorbidity. Annals of family medicine, march/april 2010.
[7] Martínez E, Margolis A, Joglar F, et al. From Uruguay to Puerto
Rico: similarities and differences in continuing medical education
273
and the context of health care. Continuing Medical Education
Congress, UBC/Alliance/CACHE/SACME/AHME, Vancouver, abril
de 2008.
[8] Llambí L, Margolis A, Toews J, et al. Distance Education for
Physicians: Adaptation of a Canadian Experience to Uruguay.
JOURNAL OF CONTINUING EDUCATION IN THE HEALTH
PROFESSIONS, 28(2):79–85, 2008.
[9] Quirós, Luna, Otero, Benitez, Otero. Manejo de pacientes y
formacion de clinicos en el Hospital Italiano de Buenos Aires desde
la perspectiva NBIC. Nuevas fronteras tecnologicas, 2010
274
APÉNDICE:
REPORTAJE FOTOGRÁFICO DEL III WORKSHOP
INTERNACIONAL REDES NANOROADMAP E IBERO-NBIC.
México, Noviembre 2011.
Miembros de la Red Ibero-NBIC en el primer día del Workshop.
Reunión conjunta Redes NanoRoadmap e Ibero-NBIC.
275
Reunión de miembros de CYTED en el Foro FIBECYT.
FIBECYT
Prof. Alejandro Pazos junto al Prof. Mario Molina (Premio Nobel de
Química, 1995).
276
9 788415 413004

Nano, Bio, Info y Cogno - IBERO-NBIC @ Inicio

Transcripción

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