Las imágenes de súper resolución guían el diseño de micronadadores biocompatibles

Dos grupos del IBEC se han asociado para revelar nuevos conocimientos que puedan impulsar el diseño de micro y nanomotores para aplicaciones de salud.

Aprovechando la resolución del microscopio STORM del grupo de Lorenzo Albertazzi, el grupo de Samuel Sánchez – en colaboración con Erik Schäffer en la Universidad de Tübingen – ha revelado nueva información sobre cómo sus nanomotores accionados por enzimas logran propulsarse.

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Izquierda: un análisis de fluorescencia convencional de los micromotores recubiertos de dióxido de silicio funcionalizados con ureasa en comparación con la imagen STORM del mismo micromotor; a la derecha, un mapa de densidad 3D obtenido por análisis computacional de imágenes STORM

Los motores que usan catálisis enzimática para autopropulsarse son algunas de las nanomáquinas más prometedoras del grupo de Smart Nano-Bio-Devices de Samuel Sánchez, ya que ofrecen más biocompatibilidad y versatilidad que otras que usan combustibles tóxicos tradicionales como el peróxido de hidrógeno, y ofrecen potencial como cápsulas seguras para los fármacos dirigidos. Las últimas investigaciones del grupo han dado como resultado nanomotores autopropulsados impulsados por enzimas como la ureasa o la glucosa oxidasa, pero aun así, los parámetros clave que subyacen el movimiento logrado por estas máquinas con enzimas aún no se conocen por completo.

Al trabajar junto con el grupo Nanoscopy for Nanomedicine de Lorenzo Albertazzi, experto en STORM – un método de microscopía de súper resolución que va más allá de la resolución de la microscopía óptica convencional -, el grupo de Samuel pudo investigar el papel que juega la distribución y la cantidad de enzimas en la generación de movimiento activo.

“La técnica de microscopía STORM nos permitió realizar un mapeo en 3D de las enzimas ureasa unidas a la superficie de los micromotores con una resolución de una sola molécula”, dice Tania Patiño, investigadora postdoctoral en el grupo Smart Nano-Bio-Devices y primera autora del artículo. “Estudiamos dos tipos de nanomotores: uno hecho con poliestireno y el otro con poliestireno recubierto con una capa rugosa de dióxido de silicio”.

Los investigadores habían visto que el segundo tipo de motores tenía una propulsión direccional más rápida en comparación con sus homólogos solo de poliestireno. Usando STORM, pudieron detectar moléculas individuales del combustible, la enzima ureasa, en las superficies de los micromotores y ver qué diferencias o variaciones podrían estar contribuyendo a las diferencias de velocidad.

“Ambos tipos de motores tenían una distribución asimétrica de enzimas alrededor de sus superficies, por lo que sabíamos que no era solo su distribución la que estaba afectando al movimiento”, dice el investigador principal del IBEC y profesor de investigación ICREA Samuel Sánchez, quien dirigió la investigación. “Sin embargo, cuando contamos las moléculas de ureasa, que pudimos hacer gracias a STORM, vimos que había un aumento de 10 veces en el número de enzimas en los nanomotores con recubrimiento de dióxido de silicio en comparación con los que solo contenían poliestireno; en otras palabras, las superficies rugosas permiten una mayor unión de la enzima, lo que conduce a un movimiento más activo “.

Para comprender mejor el papel del número de enzimas en la autopropulsión de micromotores, los investigadores correlacionaron la cantidad de enzimas, cuantificadas por STORM, con la velocidad y la fuerza de propulsión, encontrando un umbral específico de número de moléculas para que los motores nadasen. “Estos resultados proporcionan nuevos conocimientos sobre las características de diseño de los micro y nanomotores, y nos ayudarán a lograr transportadores de carga que se puedan utilizar de forma segura y de manera específica y eficiente en el cuerpo”, dice Samuel.

Tania Patiño, Natalia Feiner-Gracia, Xavier Arqué, Albert Miguel-López, Anita Jannasch, Tom Stumpp, Erik Schäffer, Lorenzo Albertazzi, Samuel Sánchez (2018). Influence of enzyme quantity and distribution on the self-propulsion of non-Janus urease powered micromotors. J. Am. Chem. Soc., epub ahead of print