Diseño y optimización de nanopartículas con aplicaciones biotecnológicascaptura de contaminantes, transporte y almacenamiento de biomoleculas

Resumen

La adsorción de proteínas y otras biomoléculas a superficies sólidas es un proceso que afecta virtualmente a cualquier superficie utilizada para la manipulación o almacenamiento de estas moléculas. Estos procesos de adsorción suelen inducir una disminución en la estabilidad conformacional de la proteína adsorbida con potenciales efectos negativos sobre su posterior identidad biológica debido a procesos de desnaturalización, agregación o fibrilación. La presente Tesis Doctoral centra su atención en la interacción entre polímeros formados por monómeros cargados (polielectrolitos) capaces de inhibir la adsorción de proteínas a superficies de sílice, un material de uso común en muchas aplicaciones biotecnológicas o en el trabajo habitual de laboratorio. En efecto, las superficies de sílice pueden ser recubiertas con polielectrolitos de alta densidad de carga que impiden la adsorción de proteína. Los polímeros catiónicos de alta densidad de carga muestran una elevada afinidad por la superficie de sílice (cargada negativamente a valores de pH superiores a 3) debido al efecto sinérgico de las interacciones electrostáticas atractivas que se establecen entre cada uno de sus monómeros y la partícula sólida. Dado que la afinidad de la proteína por esa misma superficie es menor, ésta no podrá competir satisfactoriamente por la superficie se sílice cuando se encuentra recubierta por polielectrolito. Las superficies recubiertas de polielectrolitos pueden servir, además, como adsorbentes de ligandos de carga opuesta. Esta Tesis Doctoral presenta algunos avances en la optimización de estos procesos de adsorción de ligandos a nanopartículas cuya superficie se recubre de polielectrolitos para conferirle las propiedades demandadas para capturar, transportar o almacenar ligandos específicos. En particular, el recubrimiento de la superficie de partículas de sílice con el polielectrolito catiónico PDADMACl (cloruro de polidialildimetilamonio), permite adsorber de forma eficaz ligandos de carga opuesta. La capacidad de las partículas así recubiertas puede ser modulada ajustando, de forma racional y predecible, la diferencia de pH entre el cual se utiliza para obtener el recubrimiento y el que corresponde a sus condiciones de uso. Se ha demostrado experimentalmente, que cuanto mayor sea la diferencia entre el pH al que se lleva a cabo el recubrimiento de la partícula de sílice y el pH al cual van a ser utilizadas, mayor es el aumento en la cantidad de ligando de carga opuesta que puede ser adsorbida (comparada con la cantidad que partículas similares adsorberían si su recubrimiento se hubiera realizado a este segundo pH). Utilizando polielectrolitos de distinta naturaleza se han obtenido nanopartículas de magnetita con elevada estabilidad coloidal y capaces de adsorber tanto ligandos catiónicos como aniónicos. La capacidad de los polielectrolitos de reducir de forma drástica el tamaño de las partículas de magnetita desnuda, junto con los factores que optimizan su estabilidad coloidal y capacidad de capturar diversos ligandos, han sido discutidos. Se han diseñado y obtenido nanopartículas de magnetita recubiertas por un derivado carboxilado de la polietilenimina, PEI, capaz de unir cationes de metales pesados con alta afinidad. Se ha optimizado su capacidad de capturar metales en disolución acuosa, así como las condiciones para la recuperación del metal capturado y la reutilización de las nanopartículas en ciclos sucesivos. Además, se ha demostrado la capacidad de estas nanopartículas para capturar fraccionadamente metales presentes en mezclas, atendiendo al orden de las constantes de formación del complejo metal-nanopartícula. Finalmente, se ha desarrollado un método que permite el crecimiento de la cantidad de moléculas de polímero cargado presente en el recubrimiento de las nanopartículas. Para ello, se han utilizado polianiones que establecen interacciones electrostáticas entre las moléculas de polielectrolito que forman parte del recubrimiento inicial y otras que se encontraban en disolución. El resultado final es la incorporación de estas al recubrimiento ampliado. La capacidad de carga de estas nanopartículas con recubrimiento ampliado (que depende exclusivamente de la cantidad de polielectrolito en exceso utilizado en su preparación) aumenta linealmente con la cantidad de polímero cargado incorporado al recubrimiento primitivo. Esto abre la puerta a un diseño verdaderamente racional de nanopartículas cuyo objetivo sea la captura, el transporte o el almacenamiento de ciertos ligandos.