(Por: Analía Dellamea) – Investigadores de la Facultad de Farmacia y Bioquímica trabajan en el diseño de estructuras supramoleculares para generar materiales que encapsulen biomoléculas, microorganismos y células con actividad agronómica, por ejemplo aquellos que fijan nitrógeno en el suelo, o que producen proteínas recombinantes de interés en el área de la salud. También desarrollan sistemas que “atrapan” y concentran metales tóxicos destinados a remediar ambientes contaminados y diseñan compuestos para detectar y aislar anticuerpos y antígenos, que podrán ser usados, por ejemplo, en el diagnóstico y el tratamiento del Mal de Chagas.
Se trata del campo de la química supramolecular. “Pero las líneas que trabajamos son solo algunas de las múltiples aplicaciones a que da origen esta rama de la química”, aclara el profesor e investigador Luis Díaz, de la Facultad de Farmacia y Bioquímica. “Las estructuras supramoleculares son partículas de bajo tamaño que no se configuran por uniones químicas, sino por interacciones físico-químicas de macromoléculas entre sí”, explica Díaz, profesor titular de Química Analítica e Instrumental.
Estas formas de unión son, por ejemplo, electroestáticas, hidrofóbicas o hidrofílicas, y se conocen como “uniones débiles”. (Ver recuadro 1)
La química supramolecular describe la forma en que determinadas moléculas se auto-ensamblan para constituir agregados de moléculas estructuradas, estables y unidas. Consiste, entonces, en la generación de estructuras complejas supramoleculares a partir de la autoorganización de moléculas más sencillas. Pero, debe insistirse, estas uniones no se producen de modo clásico, como serían las uniones químicas (lo que se denomina uniones covalentes), sino que están unidas “no-covalentemente”. “La técnica consiste, entonces, en diseñar materiales sin utilizar los procesos de síntesis clásicos”, advierte el doctor Díaz. Esto posibilita la generación de materiales híbridos. (Ver recuadro 2)
“Un ejemplo ya clásico es el Bioglass, que es un material híbrido inorgánico biomimético que se utiliza para reconstituciones óseas en casos de traumas o accidentes en que las personas sufrieron la pérdida de materia ósea”, señala, por su parte, el doctor Martín Desimone, profesor adjunto de la Cátedra de Química Analítica e Instrumental, miembro de la carrera de investigación del CONICET, que integra el equipo liderado por Díaz. (Ver recuadro 5).
Pero, algo más interesante aún es que estas técnicas permiten dos caminos. Por un lado, generar partículas de tamaños tan infinitesimales, por ejemplo de milésimas de micrón. (Ver recuadro 3) Así, se puede construir estructuras muy pequeñas descartando partes de una estructura mayor inicial. Por otro lado, y tomando el camino inverso, permiten generar, de origen, partículas muy pequeñas y, de allí en más, obtener estructuras de mayor tamaño.
“Al hablar de la generación de partículas de tamaño muy reducido nos estamos refiriendo al logro de nanopartículas, desarrollo que dio origen a lo que hoy se conoce como nanotecnología o nanociencia”, explica Desimone. Estos desarrollos merecieron el Premio Nobel de Química en 1987, cuando la Academia sueca galardonó a Donald Cram, Charles Pedersen y Jean-Marie Lhem. (Ver recuadro 4)
El “achicamiento” permite inducir, en los materiales desarrollados, variaciones en su comportamiento físico o químico. Se abren, así, posibilidades ciertas de diseñar estructuras supramoleculares racionales, hechas a medida para obtener los efectos y rendimientos que se deseen. Equivale a decir que hoy es posible generar nuevas propiedades en los materiales sólidos que pueden ser controladas en el laboratorio mediante las condiciones de su obtención.
Es de notar –dice Díaz- que en muchas ocasiones mediante estas técnicas se logra la formación de materiales híbridos de mucha utilidad, a lo que, como ya se dijo, se le suma la posibilidad de reducción de su tamaño; ambos procesos son capaces de dotar a estas nuevas estructuras de propiedades y efectos que no se observan en los materiales “puros”, o en las moléculas de tamaño macroscópico.
Pero además, generar nanopartículas –en este proceso de “jibarización” de estructuras químicas hecho en los laboratorios- presenta una ventaja auxiliar. “La reducción del tamaño posibilita aplicaciones que no pueden obtenerse del mismo material cuando este tiene nivel macroscópico”, explica Díaz, quien también es investigador independiente del CONICET. Como ejemplos pueden citarse el desarrollo de supramoléculas “enanas” destinadas a penetrar fácilmente las células de la piel para tratamientos dérmicos específicos, o de transportar fármacos de modo muy preciso y certero –cual “balas mágicas”– dirigidos a cualquier lugar del organismo, por más recóndicto que este fuese, y que promete un horizonte de expectativas para el desarrollo de drogas en el futuro.
Las posibilidades que brinda la obtención de materiales híbridos y los mecanismos que proporciona la química supramolecular son tan amplias que ninguna enumeración ejemplificativa podría agotarlas. Hay que sumar también la posibilidad de desarrollar materiales biomiméticos cada vez más eficaces. “Es decir –apunta el doctor Desimone—materiales que exhiban respuestas semejantes a las propias de los compuestos biológicos (o polímeros biológicos) frente a las células de los distintos tejidos”. (Ver recuadro 5).
En este sentido, desarrollar materiales híbridos biomiméticos abre, constantemente, la posibilidad de contar con tejidos “artificiales” que el organismo reconozca como compatibles y, en consecuencia, los acepte de buen grado, sin generar rechazo.
Recuadro 1
Las interacciones químicas
Es ampliamente conocido que las cargas opuestas se atraen entre sí. Las estructuras químicas pueden, de acuerdo con su composición, describir un mayor o menor grado de carga positiva o negativa. Esto hace que, expuestos a estructuras con carga opuesta, conformen una macroestructura.
Es decir que, por ejemplo, frente a una macromolécula que tiene carga positiva, habrá una tendencia a que otra macromolécula, en este caso con carga negativa, resulte atraída. Se generará, así, una macromolécula madre constituida por dos macromoléculas hijas, una de carga positiva y otra de carga negativa. Es el caso de las interacciones electrostáticas.
Hay interacciones que se dan entre sustancias que poseen afinidades comunes. Por ejemplo, hay sustancias que pueden ser disueltas en aceite, pero que repelen el agua, son entonces hidrofóbicas. A su vez, hay sustancias que sólo pueden ser disueltas en agua, es el caso de las hidrofílicas.
Estas interacciones reconocen una característica débil de unión. Un ejemplo de la vida cotidiana es lavar una ropa manchada con aceite usando solamente un compuesto que solubilice el aceite, como el jabón. La consecuencia será que la acción libera a la tela de la interacción que tenía con la mancha de aceite, dado que el jabón actúa rompiendo esa interacción química.
Recuadro 2
Materiales híbridos
Un material constituido por un solo elemento es químicamente puro, por ejemplo, la plata, el oro, el hierro, el cobre. En cambio, un material constituido por una mezcla de elementos, sean orgánicos o inorgánicos, da origen a un material híbrido, por ejemplo, el acero es una aleación de distintos elementos. Ahora, un ejemplo en la escala biológica: el hueso es un material considerado híbrido ya que posee un componente orgánico como el colágeno, que es un polímero orgánico o proteína; un compuesto inorgánico, como la hidroxiapatita, que es fósforo inorgánico; y calcio, que es una sal inorgánica, el fosfato de calcio.
Recuadro 3
Nanopartículas
Para brindar una idea gráfica de las magnitudes a que se alude cuando se habla de nanopartículas, puede pensarse en partículas que son mil veces más pequeñas que los filamentos que componen las hebras de una tela de araña. Cada hebra tiene aproximadamente una milésima de milímetro de grosor y su tamaño puede ir desde 0.001 de milímetro a 0.004 de milímetro.
A propósito de las hebras de tela de araña, conviene recordar que están constituidas por distintas proteínas, cuya estructura les provee de propiedades únicas. Básicamente esas hebras constituyen “resortes” ubicados linealmente, lo que les confiere unas propiedades de elasticidad únicas.
Así puede notarse, entonces, cómo las estructuras químicas exhiben características mecánicas, aun en una escala micrométrica.
Recuadro 4
Premio Nobel de Química
Donald James Cram, John Pedersen y Jean-Marie Pierre Lehn obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1987 «Por el desarrollo y utilización de moléculas de interacción de alta selectividad», lo que equivale a decir sintetizar moléculas tridimensionales que pueden mimetizar el funcionamiento de las moléculas naturales.
El químico y profesor universitario Donald James Cram había nacido el 22 de abril de 1919 en Chester, Vermont. Murió el 17 de junio de 2001 en Palm Desert, en California.
Por su parte, el químico John Pedersen había nacido en Busan, Corea, en 1904. Hijo de padre noruego y madre japonesa. Murió en Salem, en los Estados Unidos, en 1989.
En 1920 se trasladó a los EE.UU para estudiar ingeniería química en la Universidad de Dayton, en Ohio. Se doctoró en química orgánica en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). En la década de 1960 sintetizó un grupo de compuestos orgánicos, a los que llamó éter corona por la forma que asumían, ya que estaban conformadas por un anillo flexible de átomos de carbono intercalados en intervalos regulares de anillos de oxígeno.
Demostró que era posible fabricar en un laboratorio moléculas que pueden reaccionar selectivamente con otros átomos y compuestos.
El químico francés Jean-Marie Pierre Lehn nació en Rosheim, el 30 de septiembre de 1939. Estudió química en la Universidad de Estrasburgo. Se doctoró por esa universidad en 1963 y en 1970 fue nombrado profesor de química. En 1979 se trasladó al Collège de France en París.
En 1968 Lehn desarrolló una molécula capaz de combinarse con el neurotransmisor acetilcolina, el transmisor químico de las señales del sistema nervioso.
Amplió los desarrollos que había realizado Charles J. Pedersen hasta las tres dimensiones. Tiempo después, Donald J. Cram también haría crecer este campo con sus propias contribuciones.
Amalia Dellamea
Centro de Divulgación Científica – Facultad de Farmacia y Bioquímica UBA
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