En los últimos dos años, la pandemia de covid-19 ha suscitado numerosos proyectos centrados en el desarrollo de sustancias y productos capaces de neutralizar al nuevo coronavirus. Entre estos materiales novedosos han comenzado a destacarse los semiconductores, más conocidos por sus aplicaciones industriales, fundamentalmente en la producción de dispositivos electrónicos y componentes de automóviles. Dos estudios teóricos recientes realizados por investigadores vinculados al Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) financiados por la FAPESP, demostraron el potencial viricida de los semiconductores.
Una de esos trabajos, desarrollado por el químico Jeziel Rodrigues Santos en su investigación doctoral en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), estudió la acción de los nanotubos de silicio contra el Sars-CoV-2. El otro, un proyecto posdoctoral del ingeniero Leandro Silva Rosa Rocha, de la misma institución, se centró en las nanopartículas de óxido de cerio, conocidas como nanocerio, contra el nuevo coronavirus.
La acción de los semiconductores contra los agentes patógenos suele producirse por medio de reacciones oxidativas, precisa el químico Elson Longo, director del CDMF y profesor emérito del Departamento de Química de la UFSCar. “Por lo general, eliminamos los patógenos con medios orgánicos, mediante el uso de antibióticos. Pero estos microorganismos pueden mutar y volverse resistentes”, comenta el investigador. “Ahora estamos intentándolo por el camino de la química inorgánica, utilizando oxígeno y agua”.
Longo explica que el material semiconductor interactúa con el oxígeno del aire formando un ion negativo y a continuación descompone la molécula de agua, también presente en el ambiente bajo la forma de vapor de agua, lo que da lugar a la formación de un radical hidróxido, con propiedades altamente oxidantes, y un protón. Este protón interactúa con el oxígeno, formando el radical peróxido. Los radicales hidroxilo y peróxido reaccionan degradando la superficie del virus o bacteria por oxidación, es decir, “queman” su membrana protectora inactivando al microorganismo. “Se trata del mismo principio que utilizamos cuando aplicamos agua oxigenada sobre una herida para matar a las bacterias”, sintetiza el director del CDMF.
Los resultados de la investigación centrada en los nanotubos de silicio salieron publicados en la revista Journal of Biomolecular Structure & Dynamics. Según Rodrigues Santos, el silicio, bajo la forma de nanotubos, tiene el potencial de unirse a los aminoácidos presentes en la proteína spike del nuevo coronavirus. Las propiedades estructurales y electrónicas de este material han sido demostradas en forma teórica, mediante simulaciones por computadora.
“La estructura nanotubular ofrece una mayor superficie de contacto, facilitando su interacción con la membrana del virus”, explica el investigador. Este estudio contó con la colaboración de la Universidad del Estado de Goiás (UEG) y del Instituto Federal de São Paulo (IFSP).
Las propiedades viricidas de la combinación de sílice y plata ya eran conocidas, informa Rodrigues Santos. La firma Nanox, una empresa derivada del CDMF, comercializa telas, cuero y películas de PVC tratados con este material. Según Longo, la sílice es un semiconductor que al ser activado con plata metálica, genera moléculas de alto poder oxidante, capaces de neutralizar el 99,9 % del nuevo coronavirus en 15 minutos.
En cambio, las propiedades antivíricas de los nanotubos de silicio aún no han sido dimensionadas. “La literatura informa del empleo de este material en el almacenamiento de energía, como portadores de fármacos y en procesos catalíticos, pero no hay referencias a sus propiedades antivirales”, subraya Rodrigues Santos. “Los resultados de nuestro estudio pueden contribuir a la comprensión del potencial viricida del material y sus posibles aplicaciones farmacológicas”.
CDMF-UFSCarSemiconductor: potencial efecto viricidaCDMF-UFSCar
Nanocerio
En el caso del óxido de cerio, los investigadores partieron de una hipótesis planteada en el artículo “Nanoceria as a possible agent for the management of covid-19”, publicado en 2020 por un grupo de investigadores indios en la revista científica Nano Today. Silva Rosa Rocha estudió el óxido de cerio como sensor de gases, otra de las posibles aplicaciones del material, que se utiliza para pulir vidrios y espejos, entre otros usos industriales.
Con la llegada de la pandemia, las investigaciones se orientaron hacia la lucha contra el Sars-CoV-2. El primer paso consistió sintetizar el material. Para el estudio, publicado en febrero de este año en la revista Scientific Reports, el óxido de cerio se preparó como un material híbrido que contenía una matriz polimérica de celulosa microcristalina, para viabilizar su aplicación tanto en superficies como una posible administración in vivo. “Las nanopartículas de óxido de cerio en su forma libre son tóxicas para nuestro organismo. Pero al encapsulárselas en la matriz polimérica, su toxicidad puede anularse”, argumenta el investigador.
El estudio detectó en la estructura del material la presencia de los defectos necesarios para que ejerza una acción viricida. El investigador explica que estos defectos estructurales son imperfecciones en la disposición regular de sus átomos, por vacancia o ausencia de iones. “Para compensar este defecto, el material reacciona con la superficie del virus y, al producirse esta interacción, lo inactiva”. La literatura científica indica que el fenómeno que se ha constatado con el nanocerio se replicaría en el caso de los nanotubos.
El paso siguiente en la investigación con el nanocerio consiste en demostrar su acción antiviral. Esta fase dará comienzo en el mes de junio, en simultáneo con nuevos estudios de espectroscopía, que revelarán más datos sobre la estructura y las propiedades del nanocerio.
Para la ingeniera física Raluca Savu, del Centro de Componentes Semiconductores y Nanotecnologías de la Universidad de Campinas (CCSNano-Unicamp), las investigaciones realizadas en el CDMF se encuadran en la búsqueda de soluciones complementarias a los recursos médicos y farmacéuticos existentes para combatir las pandemias. En 2020, la investigadora orientó sus estudios con el óxido de grafeno al desarrollo de mascarillas faciales, en colaboración con la química Ljubica Tasic, del Instituto de Química de la Unicamp.
El trabajo conjunto dio lugar a un proceso más sostenible de producción de nanopartículas de plata con capacidad viricida para su aplicación en aerosoles, envases y filtros de mascarillas fabricados a partir de nanofibras de celulosa y óxido de grafeno. “En el proceso de producción de las nanopartículas empleamos como agente reductor un polifenol, un compuesto orgánico que se extrae de las naranjas”, explica Tasic. Se ha registrado una solicitud de patente del proceso de producción de la nanopartícula y ahora las investigadoras están abocadas a la búsqueda de socios comerciales para iniciar su producción.
Proyecto
Investigaciones espectroscópicas en profundidad de puntos cuánticos híbridos de óxido de cerio para mitigar la pandemia de covid-19 (nº 20/02352-5); Modalidad Beca posdoctoral en el exterior; Investigador responsable Elson Longo da Silva (UFSCar); Beneficiario Leandro Silva Rosa Rocha; Inversión R$172.758,89
Artículos científicos
MENDONÇA, P. S. S. et al. Single-walled silicon nanotube as an exceptional candidate to eliminate Sars-CoV-2: a theoretical study. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. feb. 2022.
ROCHA, L. S. R. et al. Synthesis and defect characterization of hybrid ceria nanostructures as a possible novel therapeutic material towards Covid-19 mitigation. Scientifc Reports. feb. 2022.
ALLAWADHI, P. et al. Nanoceria as a possible agent for the management of Covid-19. Nano Today. dic.2020.
