Telas nanoscópicas y enzimas sintéticas

En el mundo nano nada es como parece. Esta realidad es extremadamente pequeña y las cosas se miden en nanómetros -un cabello mide unos ¡10 mil nanómetros!-. Allí las leyes de la física clásica no funcionan: los elementos cambian sus propiedades, su color y las partículas son tan pequeñas que aumentan su superficie, desafiando la lógica corriente. Esto implica que sus posibilidades son completamente novedosas y abren un espectro aún desconocido de formas, características y aplicaciones.

En este ámbito se crearon hace ya dos décadas un nuevo tipo de materiales llamados entramados metal-orgánicos (MOF, por sus siglas en inglés), una especie de tela a escala nanoscópica que intercala materia y espacios vacíos para cumplir diversas funciones. En este ámbito desarrolla sus estudios en el Instituto de Investigaciones en Físico-Química de Córdoba (INFIQC, CONICET-UNC) Alejandro Fracaroli, quien regresó en 2016 al país con una beca posdoctoral del CONICET.

En un trabajo publicado en la revista internacional Journal of the American Chemical Society y reseñado en la prestigiosa Nature Nanotechnology, el investigador logró diseñar un MOF cuyos poros pueden atrapar aminoácidos capaces de reconocer ciertas sustancias y emular a las enzimas en su función de transformar químicos catalíticamente.

“Lo que hicimos fue usar el arreglo tridimensional del poro para acomodar moléculas activas, eso no se había hecho antes. A partir de esta estrategia se podrían diseñar materiales para sectores industriales que usan procesos enzimáticos o catalizadores para transformar la materia”, explica Fracaroli.

¿Qué son los MOF?

“Los MOFs son materiales cristalinos porosos construidos a partir de la unión química entre una parte orgánica –bloques constructores- y otra inorgánica –clusters-. Estos entramados metal-orgánicos tienen una porosidad enorme, son como esponjas”, describe Fracaroli. En los materiales cristalinos la estructura de un fragmento se repite exactamente igual a lo largo de todo el material. Esto da origen a una estructura sumamente ordenada como la del diamante o la sal de mesa. La principal diferencia, en el caso de los MOFs, es que su estructura cristalina comprende espacios vacíos o poros, que pueden ser aprovechados en diversas aplicaciones.

En la actualidad la principal utilidad de los MOF es la adsorción de gases. La capacidad de algunos de ellos para almacenar metano o gas natural comprimido (GNC) llevó a que sean empleados en escala piloto por algunas empresas químicas. “Lo interesante de estas aplicaciones es que un tanque de GNC, por ejemplo, lleno con este material tendría la capacidad de almacenar mucha más cantidad de gas, por contradictorio que pueda parecer, ya que los poros forman una especie de celdas donde el gas puede ordenarse, en lugar de simplemente rebotar en las paredes”, explica el científico.

Otra aplicación importante de este tipo de materiales es como catalizadores heterogéneos, es decir, sustancias que tienen la capacidad de acelerar procesos químicos diversos, ámbito en el que se desarrolla la investigación de Fracaroli. “Hay materiales inorgánicos llamados zeolitas conocidos por su eficiencia en esta función y que también poseen poros en su estructura. Sin embargo, en general, su área de superficie es menor. Actualmente son utilizadas en toda la industria química como catalizadores a gran escala, por ejemplo en el ámbito petrolífero. Una ventaja de los MOF sobre éstas es que, al tener una parte orgánica se puede modificar de manera más precisa la afinidad del poro por diferentes especies. De eso justamente trata el trabajo”, describe Fracaroli.

Creando enzimas sintéticas.

El grupo utilizó óxido de magnesio como componente inorgánico del MOF, y la investigación consistió en modificar la parte orgánica del material para incidir en el tamaño y forma de los poros. Además se buscó incorporar en estos espacios vacíos unas moléculas llamadas péptidos, que están presentes en la naturaleza y llevan a cabo numerosas funciones. Los péptidos están formados por aminoácidos que son capaces de reconocer ciertos sustratos y catalizar reacciones químicas. Además, la forma del poro construido por el grupo –su arreglo tridimensional- favorece la interacción, asegurando la reacción deseada.

“Este mecanismo está inspirado en la actividad de las enzimas que son proteínas encargadas, entre otras cosas, de transformar especies químicas de manera catalítica en la naturaleza”, explica Fracaroli. En este sentido, el interés en el trabajo radica en la posibilidad de diseñar materiales que emulen a las enzimas en su eficiencia, pero sean más tolerantes al medio en el que funcionan, y por tanto, puedan ser utilizados en procesos industriales. Entonces, con este tipo de procedimientos podría recrearse sintéticamente el sitio activo de una enzima sin las limitaciones del entorno.