En un nou  article publicat en la prestigiosa revista Journal of the American Chemical Society, investigadors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) i de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) descriuen com van dissenyar i fabricar amb èxit micromotors enzimàtics propulsats per bombolles construïts a partir d’una estructura organo-metàl·lica altament porosa (MOF). Aquests innovadors dispositius podrien conduir a aplicacions per al subministrament de medicaments i l’adsorció de contaminants.

Els micromotors són vehicles en miniatura que s’espera que revolucionin els camps de la biomedicina i del control de qualitat i de la remediació ambientals. Actualment s’estan explorant una sèrie d’aplicacions prometedores per a aquests petits dispositius, que es caracteritzen per la seva capacitat d’autopropulsar-se. Des del lliurament selectiu de medicaments a dins del cos a la microcirurgia i més, els micromotors es poden fins i tot utilitzar per netejar contaminants del medi ambient. Durant l’última dècada, els científics de tot el món han estat investigant diferents dissenys i materials biocompatibles per a desenvolupar micromotors segurs i eficients.

Ara, en un article publicat recentment en el Journal of the American Chemical Society, un equip d’investigadors descriu com van construir micromotors de propulsió enzimàtica a partir de petits cristalls d’estructura organo-metàl·lica. Els seus dispositius innovadors tenen porus de diferents mides que els permeten encapsular “màquines” enzimàtiques en els mesoporus, així com altres substàncies diana més petites en els microporus, com contaminants ambientals. Aquest estudi va ser co-liderat per la Dra. Tania Patiño (Institut de Bioenginyeria de Catalunya i Universitat de Roma) i pel Dr.  Vincent Guillerm (Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, ICN2 i KAUST) en el marc d’un projecte BIST Ignite.

El treball va ser realitzat en col·laboració amb el Dr. Samuel Sánchez, professor d’investigació ICREA i cap del Grup Smart Nano-Bio-Devices a l’IBEC, els investigadors Xavier Arqué (co-primer autor) i Pascal-Rafael Blersch de l‘IBEC, el professor d’investigació ICREA Daniel Maspoch, cap del grup Supramolecular NanoChemistry and Materials al ICN2, així com Yunhui Yang (co-primer autor), Dr. Javier Pérez-Carvajal i Dr. Inhar Imaz de l’ICN2.

“Aquests nous micromotors de cristalls d’estructura organo-metàl·lica es poden carregar amb enzims que actuen com a motors, però també tenen espai lliure de càrrega que es podria utilitzar per a subministrar medicaments o per eliminar contaminants de l’ambient“, explica la Dra. Tania Patiño.

“Els nostres esforços conjunts per combinar coneixements avançats i fonamentals tant en el disseny de materials porosos com en micromotors autopropulsats, ha permès un pas significatiu cap a aplicacions“, afirma Vincent Guillerm.

Micromotors de propulsió enzimàtica basats en estructures organo-metàl·liques (MOFs)

Per construir aquests nous micromotors, els investigadors de l’IBEC i de l’ICN2 van utilitzar un tipus de petites estructures organo-metàl·liques de cristall poroses (MOFs). El fet que aquests MOFs tinguin microporus els fa particularment atractius com a xassís de micromotors, ja que els porus poden actuar com a espai de càrrega. No obstant això, qualsevol vehicle funcional també necessita espai per al motor. En aquest cas, es va utilitzar un procés conegut com a ozonòlisi per crear cavitats més grans en els cristalls: els mesoporus són prou amples perquè els “motors” enzimàtics s’ajustin a l’interior.

Aquests nous micromotors, anomenats “MOFtors” pels autors d’aquest treball, són impulsats per l’enzim catalasa. El seu paper en els organismes és convertir el peròxid d’hidrogen en aigua i gas d’oxigen. Així doncs, quan el peròxid d’hidrogen “el combustible” es va afegir als MOFtors, les bombolles d’oxigen creades per la reacció van ser expulsades dels porus, generant propulsió. A més, aquests prototips van mostrar una alta eficiència de combustible. En altres paraules, només necessitaven una petita quantitat de peròxid d’hidrogen per autopropulsar-se, la qual cosa ofereix el benefici afegit de minimitzar la concentració d’aquesta substància tòxica en aplicacions biològiques i mediambientals.

» Article de referència: Yunhui Yang, Xavier Arqué, Tania Patiño, Vincent Guillerm, Pascal-Raphael Blersch, Javier Pérez-Carvajal, Inhar Imaz, Daniel Maspoch, and Samuel Sánchez. “Enzyme-Powered Porous Micromotors Built from a Hierarchical Micro- and Mesoporous UiO-Type Metal–Organic Framework”. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 50, 20962–20967. DOI: 10.1021/jacs.0c11061

» Més informació: web de l’IBEC [+]