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Fisicoquímica

Jugar a armar

Nanotubos de moléculas biológicas pueden convertirse en sensores y células de energía

THIAGO CIPRIANO / UFABC / LME-LNLSNanoselva: tubos de pie en electrodoTHIAGO CIPRIANO / UFABC / LME-LNLS

El montaje pieza por pieza de minúsculos tubos de un espesor decenas de miles de veces menor que el de un pelo, es un juego que ocupa al equipo del químico Wendel Alves, de la Universidad Federal del ABC (UFABC), que le permite develar las condiciones ideales para la producción de nanotubos y controlar sus propiedades. Puede parecer ciencia ficción, pero es real. Y está lejos de ser un  juego carente de utilidad: la idea es crear, en el futuro, biosensores y generadores de energía en miniatura.

Integrado al Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (INCT) de Bioanalítica, coordinado por el químico Lauro Kubota, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), el laboratorio recién erigido, que el grupo de Alves divide con los equipos de otros tres docentes, está listo para encarar el reto. De cualquier modo, algunas moléculas son demasiado pequeñas como para ser realmente manipuladas, ni siquiera en un avanzado laboratorio de química. En ese caso, los estudios teóricos están a cargo del físico Alexandre Reily Rocha, también profesor de la UFABC, la universidad aún en proceso de instalación en Santo André, Gran São Paulo. “En la computadora puedo poner una molécula por vez dentro del nanotubo y estudiar qué sucede mediante modelos de simulación”, explica.

Los nanotubos de Alves están formados por aminoácidos, que son las unidades que componen las proteínas, y sus subpartes, los péptidos. Al contrario que los nanotubos de carbono, muy comunes actualmente en los laboratorios del mundo y que para formarse requieren condiciones de trabajo específicas, tales como temperaturas sumamente altas y una corriente eléctrica intensa, los de péptidos constituyen una novedad en Brasil, de acuerdo con el químico de la UFABC. Y una novedad prometedora.

“Los nanotubos de péptidos son más baratos y su producción es más rápida”, resume. A decir verdad, se forman espontáneamente. Basta con disolver los péptidos en un tubo de ensayo y éstos se organizan formando innumerables tubos. El equipo paulista demostró, en un artículo que saldrá publicado en septiembre en el Journal of Materials Science, que para la formación de los nanotubos que se obtuvieron es necesario echar manos, en las condiciones adecuadas, de una serie de piezas elaboradas con un tipo específico de aminoácido: la fenilalanina, que se agrega en pares, formando el péptido difenilalanina.

Una vez formada una suspensión del material, el investigador ve aparecer un sólido blanco en el tubo de ensayo. A simple vista, no es más que eso, pero recursos de alta tecnología, tales como la difracción de rayos X, la espectroscopía y la microscopía electrónica de barrido ayudan a caracterizar a los nanotubos, al principio dispuestos en forma aleatoria. Afortunadamente, no es necesario contar un  nanopeine para desenredarlos: basta con resuspender el sólido en agua y los tubos se autoorganizan. La disposición varía de acuerdo con las condiciones de presión, temperatura, pH y del solvente. Pueden permanecer de pie, como una  nanoselva, o acostados, como espagueti en un plato.

Alves estudia de qué modo los parámetros afectan la disposición de los nanotubos, para poder en el futuro controlar esa organización – que influye en sus propiedades – de acuerdo al uso que pretende. En general, la idea es aprisionar enzimas dentro de nanotubos adheridos a un electrodo, para usarlos como biosensores. Una enzima que se une a moléculas de glucosa, por ejemplo, puede estar en el centro de un  minúsculo sensor para diabéticos. Al adherirse a las enzimas, las moléculas de glucosa alteran la variación de la corriente en relación con el tiempo, lo que hace posible medir el tenor de glucosa de la muestra.

El grupo de químicos de la UFABC ha logrado aprisionar en nanotubos el sitio activo de una enzima, la microperoxidasa 11, que contiene hierro, lo que le da la coloración roja a simple vista al polvo blanco de los nanotubos. Este trabajo, informado en el artículo del Journal of Materials Science, es parte de la maestría de Thiago Cipriano, y demuestra que esos nanotubos ceden electrones al peróxido de hidrógeno y lo transforman en agua, un tipo de reacción conocida como reducción.

Ahora Alves pretende producir sistemas de nanotubos con base en modelos biológicos capaces de extraer electrones del oxígeno a temperatura ambiente, generando electricidad. “Es eso lo que se busca en las células de combustible”, explica. Junto con la estudiante de maestría Iorquirene Matos, montó nanotubos de péptidos con una estructura de cuatro iones de cobre, que, de acuerdo con un artículo publicado en Electrochimica Acta del mes julio, logran efectivamente realizar esa reducción.

Realidad virtual
En simulaciones, Alexandre Rocha estudia una manera de mejorar la conducción de la electricidad por los nanotubos de péptidos, aislantes por naturaleza. Este trabajo indica que partículas de oro y de cobre pueden adherirse a los tubos, produciendo sensores más precisos, en lo que constituye un efecto ya confirmado por los químicos.

Otro aspecto que el físico abordó es la influencia del agua en las propiedades de los nanotubos. Pese a ser casi omnipresente en el planeta, el agua le reserva aún muchos secretos a la ciencia. El dúo de la UFABC ha verificado, con base tanto en simulaciones como en imágenes de rayos X, que las moléculas de agua se adhieren al interior del tubo formando una hélice, pero una hélice imperfecta, no completamente regular.

Al añadir una molécula por vez en el ambiente virtual, Rocha logró caracterizar de qué modo las moléculas de agua, mediante uniones de hidrógeno, se conectan con los aminoácidos que componen los tubos. La estructura es tan estable que, incluso cerca de la temperatura ambiente, los investigadores se refieren a aquella agua como hielo. Para que se evapore, no bastan 100 grados Celsius (°C): se hacen necesarios150°Cpara extraer agua de los nanotubos. El paso siguiente son los análisis fisicoquímicos, para definir de qué modo el agua afecta a las propiedades de los nanotubos.

El químico reúne esos hallazgos para montar (en su pensamiento) un sistema que, según admite – en este – aún se trata de ciencia ficción: un biosensor acoplado a una biocélula de electricidad, todo nanométrico, de manera tal que se podría implantar en el páncreas de diabéticos un aparato capaz de medir los niveles de glucosa y liberar insulina, de ser necesario. Tudo eso alimentado por una biocélula como fuente de energía. En teoría, también sería posible usar esas biocélulas para alimentar marcapasos, actualmente implantados en pacientes cardíacos con pequeñas baterías.

Los proyectos
1. Síntesis, caracterización y estudio de las propiedades electrónicas de los nanotubos de péptidos y óxido de titanio (nº 2008/53576-9); Modalidad
Joven investigador; Coordinador Wendel Andrade Alves – UFABC; Inversión R$ 377.263,69
2. Simulaciones ab initio de transporte electrónico en sistemas nanoestructurados desordenados (nº 2009/15129-3); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Alexandre Reily Rocha – UFABC; Inversión R$ 127.795,55

Artículos científicos
CIPRIANO, T.C. et al. Spatial organization of peptide nanotubes for electrochemical devices. Journal of Materials Science. v. 45, n. 18, p. 5.101-08. 2010.
MATOS, I.O. et al. Approaches for multicopper oxidases in the design of electrochemical sensors for analytical applications. Elec­tro­chimica Acta. v. 55, n. 18, p. 5.223-29. 2010.

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