Desarrollo de matrices porosas extracelulares con propiedades eléctricas (MECC) para el estudio in vitro de tejido celular.

¿Qué se quiere hacer?
En este proyecto se pretende evaluar el potencial de un material poroso conductor de electricidad, fabricado usando biopolímeros, para el crecimiento celular. Las propiedades de este novedoso material, permitiría ser empleado en medicina regenerativa.

¿Cómo y para qué se va hacer?
El procesamiento de las materiales porosos se realizará empleando tecnología verde basada en el secado supercrítico de dióxido de carbono (CO2). Los procesos de secado con fluidos supercríticos, como el Dióxido de Carbono (CO2), son una técnica utilizada a nivel industrial para producir aerogeles con excelentes propiedades, ya que permite conservar la estructura tridimensional del material [9], [10]. Esta capacidad, entre otras del proceso de secado con fluidos supercríticos, ha permitido su utilización en actividades industriales como el secado de alimentos [11] y producción de aerogeles de sílica, utilizados como aislantes térmicos, también como alternativas a los paneles de vidrio comunes y en la encapsulación de fármacos [10]. Además, la red COST CA18125 (Advanced Engineering and Research of aeroGels for Environment and Life Sciences) [39] de la cual Costa Rica es un socio Internacional, lo que permite tener acceso a un grupo de expertos en el área de estos materiales.

Este estudio permitiría general materiales que sean empleados en la generación de tejidos, lo cual sería de beneficio para diversos campos médicos. El material propuesto a estudiar en esta investigación es único en su conjunto de propiedades, lo que permite abarcar propiedades como tamaño de poro, propiedades mecánicas, propiedades eléctricas y liberación controlada. Y el estudio se realizaría en un grupo interdisciplinario con experiencia e indicadores pertinentes en la administración de recursos

Aplicaciones de nanopartículas magnéticas en la propuesta de un diseño de un prototipo de laboratorio para la remoción de arsénico en agua de consumo humano proveniente de acueductos de la zona norte

En Costa Rica la contaminación de agua para consumo humano con arsénico va tomando altas dimensiones, a la fecha se han analizado pozos con niveles que superan el máximo permitido (10 μg/L) que van de los 40 μg/L a 130 μg/L en Cañas, Bagaces y Aguas Zarcas, siendo motivo de solicitudes especificas del Laboratorio Nacional de Agua a la Universidades.

En el mundo la eliminación selectiva del contaminante en el agua, se ha considerado como tecnología emergente de alto valor, siendo filtros que se venden bajo patente (probablemente con nanotecnología también), otros sistemas de tratamiento tales como el uso de floculantes, no necesariamente eliminan hasta bajas cantidades del tóxico y han demostrado servir en países con niveles mucho más altos de los aparecidos en Costa Rica ( del orden de los mg/L). El uso de nanotecnología en estos sistemas es amigable con el ambiente porque el arsénico removido puede ser selectivamente separado y recuperado y las nanopartículas pueden ser reutilizadas.

El proyecto se plantea en tres fases: 1- síntesis de las nanopartículas superparamagnéticas de Fe2O3 , 2- caracterización de las partículas, esta caracterización es crítica, debe de lograrse el magnetismo y la configuración requerida (partículas de más de 30 nm se magnetizan “perenemente”), esta fase implica el uso de muchos equipos diferentes para comprobar características físicas a niveles “nano” (la mayoría de estos equipos los tenemos en el Laboratorio de Nano). 3- la tercera fase es la funcionalización de las nanopartículas para que se les adsorba selectivamente el arsénico y la medición de esta capacidad. Las 3 fases se desarrollaran basado en los métodos especificados en: Applications of Magnetite Nanoparticles for Heavy Metal Removal from water, capítulo 3, del libro: “Waste Water - Treatment Technologies and Recent Analytical Developments. 2013.

Actualmente en Costa Rica no se cuenta con la experiencia en el trabajo con nanopartículas magnéticas, no obstante se cuenta con la vinculación con la Universidad de Purdue y la reciente visita del Dr David Janes con el ofrecimiento de pasantías de investigadores al Centro de Nanotecnologia de Purdue, además contamos con vinculación con LANOTEC, quienes recientemente han traído investigadores con experiencia en nanopartículas magnéticas, ellos también nos cooperarían con ciertos análisis. El uso y empleo de alta tecnología como la nanotecnología es una prioridad en ciencia y tecnología del país, de importante desarrollo para la Institución y necesario además en la consolidación del Programa de Investigación en Nanotecnología del TEC.

Palabras claves: Nanopartículas magnéticas, arsénico, agua de consumo humano.

• Subárea: Otras Ciencias de la Ingeniería

La implementación de los cultivos algales conserva y restaura la calidad ambiental, ya que las algas son capturadoras de CO2 y sus resultados como productoras de aceites, promueve la energía renovable. Por tanto, su producto tendrá fines de uso limpio y será utilizado como fuentes de energía eficiente.

El proyecto pretende generar un sistema de producción de microalgas, con un sistema acoplado a un biodigestor y una fuente generadora de CO2 al cultivo algal. Por tanto, con el biodigestor se generará la producción de gas metano, con el fin de transformarla en energía eléctrica para ser utilizada en el movimiento del estanque de microalgas. Una vez que funcione el sistema, se valorará la cantidad y calidad de biomasa algal, y los distintos tipos de productos generados a partir de ésta. Se crea así un modelo de producción y transferencia que fomentará la creación de centros de producción en diversos sectores del país con ayuda gubernamental.

Además con el proyecto se pretende fortalecer una estructura social rural y regional, con la implementación de cultivos algales, ya que los pobladores pueden tener una mejor calidad de vida al trabajar e identificarse con un proyecto de energías limpias.

Palasbras claves: microalgas, producción de aceites, biodigestor, biocombustibles.

Este proyecto de investigación básica pretende a través de pruebas preliminares de laboratorio, el diagnostico y la selección del mejor sistema de preparación de probetas metalicas y caracterización de defectos microestructurales en aleaciones por medio de la técnica TEM (Transmision electron microscopy). Para estos propósitos, las superaleaciones Ni201 y Nimonic80A, obtenidas con la colaboración de la Universidad de Siegen, Alemania, fueron previamente tratadas térmicamente y luego ensayadas por fatiga a alta frecuencia.

La primera fase del proyecto consite en la búsqueda del mejor proceso de preparación de las probetas metálicas para su montaje en el TEM. La segunda fase consiste en el estudio de las dislocaciones, precipitaciones y otros defectos nanométricos. Los resultados obtenidos de esta actividad permitirán un fortalecimiento enorme en la caracterización de los materiales metálicos a nivel nanoestructural y un reconocimiento del equipo de laboratorio necesarios para mejores y más robustas investigaciones científicas en el área de ciencia de los materiales y nanotecnología.

Palabras claves: TEM, preparación de probetas, defectos nanométricos, dislocaciones, caracterización de los materiales.

• Subárea: Ingenería de los Materiales

Análisis por computador de imágenes de geles de electroforesis: métodos avanzados para el manejo de meta-información y el procesamiento digital de imágenes

Los procesos de caracterización molecular de organismos incorporan con frecuencia el uso de geles de electro foresis. En el proyecto “Análisis por computador de imágenes de geles de electroforesis para la caracterización molecular de organismos” se ha logrado establecer una plataforma base de asistencia en laboratorios de biología molecular para el manejo tanto de la meta-información asociada a cada carril de un gel de electroforesis, como de procesos de captura, mejora y análisis básico de imágenes. La complejidad de las tareas involucradas amerita continuar la investigación sobre métodos más eficientes, precisos, versátiles y seguros que ayuden a optimizar el uso de los recursos en un laboratorio de biología molecular. El ITCR crea así una herramienta integradora para redes e
investigación en biología molecular, pues sirve como plataforma de intercambio, administración y análisis de los datos.

El nuevo proyecto abordará temáticas como la distribución de la base de datos, la administración de roles, e incluirá nuevos manejos de meta-información; se desarrollarán nuevos métodos de rectificación, normalización y mejoramiento de imágenes que consideren la información contextual. Como parte del proyecto se propone además extender la herramienta a la técnica del Electroforesis en Gel de Gradiente Desnaturalizante (DGGE, Denaturing gradient gel electrophoresis) para colaborar en el análisis de la diversidad genética bacteriana a partir de muestras ambientales. Dicha técnica representa un modelo adecuado para la evaluación de la herramienta dado la importancia de DGGE en el análisis de comunidades microbianas, actualmente incluso superior a la clonación y a la subsecuente secuenciación.

Los investigadores en biología molecular continuarán vigilando todo el proceso para asegurar la utilidad de la herramienta desarrollada.

Palabras claves: Geles de electroforesis, procesamiento de imágenes, análisis de imágenes, caracterización molecular de organismos, marcadores moleculares, bases de datos.

• Subárea: Otras Ciencias de la Ingeniería

La piña es un cultivo de gran importancia para la economía nacional gracias a las grandes exportaciones realizadas hacia Europa y principalmente a Estados Unidos lo cual significan una alta entrada de divisas y generación de empleo. Sin embargo esta práctica agrícola ha generado problemas sobre todo a nivel ambiental. Debido al cultivo de la piña se produce una gran cantidad de rastrojo (resto de la planta), por lo que ha aumentado la densidad poblacional de Stomoxys calcitrans la cual afectan la actividad ganadera, se han dado contaminación de ríos y erosión de suelos por una excesiva aplicación de agroquímico. Es necesario desarrollar nuevas tecnologías que puedan reducir el impacto de los perjuicios generados por la siembra de piña con el objetivo de disminuir su impacto en el medio ambiente y generar nuevas oportunidades laborales para los pobladores de las zonas piñeras. La generación de compuestos de interés utilizando residuos orgánicos como materia prima resulta en una excelente oportunidad para disminuir el impacto de residuos agrícolas y al mismo tiempo generar productos de alto interés. Mediante el uso de biología sintética es posible re-diseñar microrganismos capaces de utilizar estos residuos como fuentes de carbono en la producción de biocombustibles, vacunas, alcoholes, aceites, etc. La producción de farneseno y sus precursores se hace posible mediante la modificación de microrganismos tales como Escherichia coli que al rediseñar sus rutas metabólicas podemos producir este compuesto el cual es utilizado en otros países como una alternativa amigable con el ambiente al combustible de origen fósil.

Palabras clave: Farneseno, biología sintética, residuos agroindustriales, biodiesel.

La piña es un cultivo de gran importancia para la economía nacional gracias a las grandes exportaciones realizadas hacia Europa y principalmente a Estados Unidos, lo cual significa una alta entrada de divisas y generación de empleo. Sin embargo, esta práctica agrícola ha generado problemas sobre todo a nivel ambiental. El cultivo de la piña produce una gran cantidad de rastrojo (resto de la planta), por lo que ha aumentado la densidad poblacional de la Mosca del establo (Stomoxys calcitrans), la cual afecta la actividad ganadera. Se ha provocado la contaminación de ríos y la erosión de suelos por una excesiva aplicación de agroquímicos. Es necesario desarrollar nuevas tecnologías que puedan reducir el impacto de los perjuicios generados por la siembra de piña, con el objetivo de disminuir su impacto en el medio ambiente y generar nuevas oportunidades laborales para los pobladores de las zonas piñeras. En los últimos dos años, el laboratorio de Biología Sintética del Centro de Investigaciones en Biotecnología del Instituto Tecnológico de Costa Rica ha estado desarrollando una plataforma a partir de bacterias para producir compuestos de interés industrial a partir de residuos de agrícolas de piña. Ya se ha logrado establecer los genes necesarios para la producción de farneseno y con este proyecto se busca optimizar la plataforma de expresión para aumentar los niveles de producción de este compuesto. La generación de compuestos de interés utilizando residuos orgánicos como materia prima, resulta en una excelente oportunidad para disminuir el impacto de residuos agrícolas y al mismo tiempo generar productos de alto interés de forma industrial. Mediante el uso de biología sintética es posible re-diseñar microrganismos capaces de utilizar estos residuos como fuentes de carbono en la producción de biocombustibles, vacunas, alcoholes, aceites, entre otros. La producción de farneseno se hace posible mediante la modificación de microrganismos, el cual es utilizado en otros países como una alternativa amigable con el ambiente, con relación al combustible de origen fósil.

PALABRAS CLAVE: Farneseno, biología sintética, residuos agroindustriales, optimización.

Establecimiento de un proceso de recolección de biomasa, ultrasonificación y secado de la biomasa algal a partir de un cultivo de Chlorella vulgaris (Fase II)

Los estudios más recientes han demostrado el excelente potencial de las algas para producir una amplia gama de compuestos polisacáridos, lípidos, proteínas, pigmentos, vitaminas, esteroles, enzimas, antibióticos, productos químicos, farmacéuticos y biocombustibles (metano, etanol). La ubicación y las condiciones climáticas privilegiadas de nuestro país ofrecen un escenario favorable al cultivo masivo de microalgas que son de gran interés en la industria (Chisti, 2007). El conocimiento de la biodiversidad de las microalgas nacionales abre la posibilidad de desarrollar nuevas industrias en el país que tengan interés en la elaboración de productos de origen algal, con alto potencial económico.

Los cultivos de microalgas de Chlorella sp en sistemas abiertos son prometedores debido a su rápida tasa de crecimiento y la capacidad alta de fijación de CO2 y además su biomasa presenta una capacidad energética alta (18,59MJ/kg), pueden llegar a concentraciones de carbohidratos y lípidos potenciales (19,46%, 28,82% respectivamente), por tanto que las convierte en cultivos viables para ser utilizadas en producción de etanol y biodiesel (Phukan et al., 2012).

El Tecnológico de Costa Rica, la Escuela de Biología, la Escuela de Química y la Escuela de Electrónica en los últimos años ha trabajado con proyectos de microalgas. También se cuenta con un diseño de estanque y paletas que permite cultivar a escala semimasiva, un sistema electrónico a control remoto que facilita la captura de datos de variables ambientales y físicas. Las investigaciones han conformado alianzas con diversas empresas nacionales y que con su colaboración se ha alcanzado avanzar en los procesos de escalamiento.

Con los resultados de las investigaciones que hoy día se cuenta, se hace importante continuar con la investigación de las tecnologías de recolección de biomasa, ultrasonificación, secado y empacado de la biomasa seca. De esta manera, se cuenta con cultivos en estanques en cinco sitios del país y se necesita continuar con el acompañamiento a los empresarios asociados (fase II del proceso). Este estudio pretende realizar diversos ensayos de colecta de la biomasa en condición semimasiva de los estanques (empresas vinculadas) y ultrasonificar a diversas intensidades y posteriormente realizar pruebas químicas para la determinación de las concentraciones de aceites, su decantación y el posterior secado de la biomasa.

PALABRAS CLAVE: Ultrasonido, secado, colecta de microalgas, centrifugado de microalgas, biomasa microalgal.

Las microalgas cuentan con un gran potencial para ser utilizadas como fabricas biológicas por su crecimiento en altas densidades y bajo requerimiento de nutrientes al tener la posibilidad de ser cultivadas bajo condiciones fotoautotróficas. Bioprocesos que utilizan microalgas son capaces de generar desde biocombustibles, suplementos alimenticios, hasta biofarmacéuticos de alto valor agregado. El análisis de rutas metabólicas es una herramienta clave para la caracterización de cepas en sus potenciales de producción. El análisis de flujos metabólicos basado en marcación con 13C en régimen no estacionario, permite evaluar la dirección hacia la cual el metabolismo fotoautotrófico de cepas específicas de microalgas está dirigido. El uso de análisis de flujos metabólicos  hace posible descubrir cuellos de botella en las rutas metabólicas y elucidar mecanismos de regulación del sistema, permitiendo evaluar posibles objetivos para realizar ingeniería metabólica o modificaciones en las estrategias de cultivo que favorezcan la formación de un producto determinado.

Cultivos de cepas de microalgas disponibles en el Centro de Investigación en Biotecnología (CIB) serán caracterizadas para evaluar sus potenciales productivos de acuerdo al diagrama de flujos metabólicos específicos, en especial especies productoras de aceites como Chlorella vulgaris e Isochrysis galbana.

PALABRAS CLAVE: Microalgas, Análisis de flujos metabólicos, Chlorella vulgaris, Isochrysis galbana, aceite

Subárea: Biotecnología Ambiental

Nuestro país cuenta con una extensa riqueza en biodiversidad, reconocida a nivel mundial. Sin embargo solo se conoce un 18% de las especies (INBIO, 2007), entre ellas están las microalgas, que son de gran interés económico debido a su alto potencial en la industria alimentaria, médica y energética; siendo una opción eco-amigable a la problemática de los combustibles y con grandes ventajas sociales y económicas. Los estudios más recientes han demostrado la potencialidad de las microalgas en la industria química, farmacéutica y alimenticia para producir una amplia gama de compuestos o sustancias de interés comercial y la mayor parte de su biomasa se comercializa como alimentos medicinales y sus extractos se incluyen como suplemento en algunas pastas, vinos, refrescos, cereales y cosméticos.

El planteamiento de este proyecoto es: “Desarrollo de un protocolo para el cultivo de Chlorella sp a pequeña escala con desechos alimentarios industriales limpios con el fin de obtener biomasa microalgal con potencial comestible” permitiendo realizar y afinar metodologías que se pueden aplicar en proyectos futuros a gran escala. De esta manera, se contribuye a la utilización efectiva de los desechos, que de otra manera generarían contaminación al pasar por las lagunas de tratamientos de las empresas productoras, se generará biomasa con potencial económico, se captura CO2 en el proceso de fotosíntesis de la microalgas, se promueve la producción al final del proceso de aguas limpias y por último se emite O2 como resultado metabólico de las microalgas. El proyecto pretende generar un sistema de producción de la microalga Chlorella sp a pequeña escala a partir del medio de cultivo con los mejores rendimientos; a futuro se puede escalar e implementar cultivos microalgales en otros sitios del territorio nacional. Este proyecto puede incentivar a industrias nacionales en la apertura de nuevos mercados, generándose fuentes de trabajo y una mejor calidad de vida; a su vez esta propuesta educa y propicia el cuido a la naturaleza, la utilización de nuestros recursos naturales de forma sostenible.

PALABRAS CLAVE: Microalgas, desechos industriales limpios, fotosíntesis, captura de CO2, biomasa, proteínas, alimento funcional.