Les imatges de súper resolució guien el disseny de micronedadors biocompatibles

Dos grups de l’IBEC s’han associat per revelar nous coneixements que puguin impulsar el disseny de micro i nanomotors per a aplicacions de salut.

Aprofitant la resolució del microscopi STORM del grup de Lorenzo Albertazzi, el grup de Samuel Sánchez – en col·laboració amb Erik Schäffer a la Universitat de Tübingen – ha revelat nova informació sobre com els seus nanomotors accionats per enzims aconsegueixen propulsar-se.

Read more…

Esquerra: una anàlisi de fluorescència convencional dels micromotors recoberts de diòxid de silici funcionalitzats amb ureasa en comparació a la imatge STORM del mateix micromotor; a la dreta, un mapa de densitat 3D obtingut per anàlisi computacional d’imatges STORM

Els motors que fan servir catàlisi enzimàtica per autopropulsar-se són algunes de les nanomàquines més prometedores del grup de Smart Nano-Bio-Devices de Samuel Sánchez, ja que ofereixen més biocompatibilitat i versatilitat que unes altres que es basen en combustibles tòxics tradicionals com el peròxid d’hidrogen, i ofereixen potencial com a càpsules segures per als fàrmacs dirigits. Les darreres troballes del grup han donat com a resultat nanomotors autopropulsats impulsats per enzims com la ureasa o la glucosa oxidasa, però així i tot, els paràmetres clau que subjeuen el moviment assolit per aquestes màquines amb enzims encara no es coneixen per complet.

En treballar juntament amb el grup Nanoscopy for Nanomedicine de Lorenzo Albertazzi, expert en STORM – un mètode de microscòpia de súper resolució que va més enllà de la resolució de la microscòpia òptica convencional -, el grup del Samuel va poder investigar el paper que juga la distribució i la quantitat d’enzims en la generació de moviment actiu.

“La tècnica de microscòpia STORM ens va permetre realitzar un mapeig en 3D dels enzims ureasa unides a la superfície dels micromotors amb una resolució d’una sola molècula”, diu Tania Patiño, investigadora postdoctoral en el grup Smart Nano-Bio-Devices i primera autora de l’article. “Estudiem dos tipus de nanomotors: un fet amb poliestirè i l’altre amb poliestirè recobert amb una capa rugosa de diòxid de silici”.

Els investigadors havien vist que el segon tipus de motors tenia una propulsió direccional més ràpida en comparació dels seus homòlegs de poliestirè. Usant STORM, van poder detectar molècules individuals del combustible, l’enzim ureasa, en les superfícies dels micromotors i veure quines diferències o variacions podrien estar contribuint a les diferències de velocitat.

“Tots dos tipus de motors tenien una distribució asimètrica d’enzims al voltant de les seves superfícies, per la qual cosa sabíem que no era solament la seva distribució la que estava afectant al moviment”, diu l’investigador principal del IBEC i professor de recerca ICREA Samuel Sánchez, qui va dirigir la recerca. “No obstant això, quan expliquem les molècules de ureasa, que vam poder fer gràcies a STORM, vam veure que hi havia un augment de 10 vegades en el nombre d’enzims en els nanomotors amb recobriment de diòxid de silici en comparació dels que solament contenien poliestirè; en altres paraules, les superfícies rugoses permeten una major unió de l’enzim, la qual cosa condueix a un moviment més actiu”.

Per comprendre millor el paper del nombre d’enzims en l’autopropulsió de micromotors, els investigadors van correlacionar la quantitat d’enzims, quantificades per STORM, amb la velocitat i la força de propulsió, trobant un llindar específic de nombre de molècules perquè els motors nedessin. “Aquests resultats proporcionen nous coneixements sobre les característiques de disseny dels micro i nanomotors, i ens ajudaran a aconseguir transportadors de càrrega que es puguin utilitzar de forma segura i de manera específica i eficient en el cos”, diu 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