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Biocatálisis y Nanotecnología

Biocatálisis y Nanotecnología

 

 Dentro de la química verde, y el desarrollo de procesos de síntesis que contribuyan a reducir o eliminar sustancias que sean tóxicas para los seres humanos y el medio ambiente, existen moléculas conocidas como enzimas, las cuales cuentan con un gran potencial al ser por naturaleza biocatalizadores. Como es sabido, un catalizador es una sustancia que disminuye o aumenta la energía de activación de una reacción, por lo que la velocidad de reacción se ve afectada, siendo ésta más rápida o más lenta. Esta cualidad contribuye a que los catalizadores sean muy atractivos en la industria y laboratorios, puesto que lo que generalmente se busca es eficientizar los procesos y que se obtengan grandes rendimientos.

Las enzimas, siendo catalizadores biológicos, pueden ser utilizadas en una gran variedad de aplicaciones como lo son la industria alimenticia, la industria textil, el tratamiento de efluentes, y muchas otras áreas de interés comercial; sin embargo, su actividad tiende a ser poco estable debido que su estructura suele ser frágil, y por lo mismo se desnaturalizan si no se encuentran en condiciones específicas de pH y/o temperatura. Debido a esto la biocatálisis se ha apoyado en la nanotecnología para generar soportes nanoestructurados que inmovilizan a las enzimas, otorgándoles una mayor selectividad, estabilidad, recuperabilidad y aumento de su actividad como biocatalizadores (Meryam Sardar, 2015), siendo las nanociencias un punto clave para el desarrollo de estas mejoras.

La nanobiocatálisis es un área muy prometedora y compleja, algunas de las investigaciones que se han desarrollado alrededor de este tema incluyen aplicaciones bioelectrónicas, sistemas de conversión y análisis proteómicos. Un ejemplo, es el desarrollo de nanopartículas magnéticas con baja toxicidad, alta estabilidad y con un bajo impacto ambiental, como lo es la magnetita (Fe3O4), para ser utilizadas como soportes nanoestructurados, puesto que su superficie puede ser modificada para poder tener una buena afinidad entre esta y las enzimas, además de que se pueden separar fácilmente de a través del uso de campos eléctricos (de Jesús Rostro-Alanis et al., 2016).

Otro tipo de nanomaterial frecuentemente usado son las nanofibras, las cuales pueden ser naturales o sintéticas como el poliestireno, y se sintetizan a un costo más bajo por medio de la técnica electrospinning, este método tiene una ventaja muy importante, la cual es que nos deja manipular el tamaño y la morfología del poro, y el alineamiento de la fibra, factores que son muy importantes para definir la aplicación que tendrá nuestro biocatalizador. La manera de inmovilización con estas estructuras es por medio de un enlace covalente entre estas estructuras y la enzima. Otras ventajas de utilizar a las nanofibras es que es más fácil recuperarlas, y dejan una mayor área libre de anclaje de la enzima con los sustratos, lo cual repercute positivamente en su capacidad catalítica (Jia, 2011).

Por otro lado, se han usado materiales mesoporosos como la alúmina, los cuales pueden ser funcionalizados para inmovilizar enzimas. Al ser materiales con una buena porosidad permiten el paso de los sustratos, logrando así un buen contacto entre la enzima y el sustrato a catalizar. Además, debido a que es posible controlar la morfología, tamaño de poro y propiedades estructurales de estos materiales, estos han sido usados para estudiar el comportamiento de las enzimas en las células.

La nanobiocatálisis tiene un amplio alcance en aplicaciones, como es en  el desarrollo de biosensores usando nanofibras y nanotubos mesoporosos para la detección de glucosa y dopamina; en la  fabricación  células combustible con nanofibras, las cuales básicamente consisten en dos células con carga opuesta que en conjunto realizan reacciones de oxidorreducción lo cual provoca generación de energía eléctrica; o en la producción con enzimas de reacciones químicas como transesterificación y epoxidación (de Jesús Rostro-Alanis et al., 2016).

Dependiendo de la aplicación catalítica que queramos que desempeñe nuestra enzima es que debemos de escoger la estructura nanoestructurada que utilizaremos como inmovilizador. A pesar de los beneficios que presenta el uso de nanomateriales, es importante considerar que, el tipo de inmovilización y nanoestructura que utilicemos va a repercutir en el costo final de nuestro biocatalizador, por lo tanto, es importante conocer todas las opciones que existen para tomar la mejor decisión.

Referencias:

[1] de Jesús Rostro-Alanis, M., Mancera-Andrade, E. I., Patiño, M. B. G., Arrieta-Baez, D., Cardenas, B., Martinez-Chapa, S. O., & Saldívar, R. P. (2016). Nanobiocatalysis: Nanostructured materials – a minireview. Biocatalysis, 2(1), 1-24. https://doi.org/10.1515/boca-2016-0001

[2] Jia, H. (2011). Enzyme-Carrying Electrospun Nanofibers. En P. Wang (Ed.), Nanoscale Biocatalysis (Vol. 743, pp. 205-212). Humana Press. https://doi.org/10.1007/978-1-61779-132-1_16

[3] Le Goff, A., & Holzinger, M. (2018). Molecular engineering of the bio/nano-interface for enzymatic electrocatalysis in fuel cells. Sustainable Energy & Fuels, 2(12), 2555-2566. https://doi.org/10.1039/C8SE0

[4] Meryam Sardar, R. A. (2015). Enzyme Immobilization: An Overview on Nanoparticles as Immobilization Matrix. Biochemistry & Analytical Biochemistry, 04(02). https://doi.org/10.4172/2161-1009.1000178

[5] Wang, L. (2011). Nanoscale biocatalysis system with novel NADH oxidase [Nanyang Technological University]. https://doi.org/10.32657/10356/43574

 

Sobre las autoras:

María José Monteagudo Candiani: Recién egresada de Licenciatura en la Universidad Instituto Tecnológico de Estudios Superiores y Monterrey en el campus Estado de México. Participante y miembro del equipo IGEM 2020 en su campus en el cual se está realizando un biosensor de microplásticos, IGEM es un concurso a nivel internacional de biología sintética. Participante de diversos cursos como impresión 3D de organoides, nanoelectrónica, biomateriales, microscopio electrónico de barrido, SPIONS, terapia celular e ingeniería genética por parte del Instituto AMCEP y del INA. Actualmente está laborando en una investigación sobre terapia génica y fabricación de vacunas editables utilizando cloroplastos, está colaborando en la Columna Científica organizada por la mesa de Nanotecnología e Ingeniería molecular de la UDLAP y es miembro del grupo estudiantil BIOTEC dentro de los roles de publicidad e investigación de generación de energía fotosintética. Participó en el congreso INASCON 2020 donde se expusieron avances en nanotecnología. A partir de 2021 es miembro de CION del Instituto de Nanotecnología Aplicada.

María Fernanda Rivera Ledesma: estudiante de las Licenciaturas de Nanotecnología e Ingeniería Molecular y Química de la Universidad de las Américas Puebla. Actualmente es secretaria de la Mesa Directiva de Nanotecnología e Ingeniería Molecular y es integrante del proyecto Una Ciencia en apoyo en la elaboración de materiales de divulgación y comunicación de la ciencia.

Por: María Fernanda Rivera Ledesma: Estudiante de las Licenciaturas de Nanotecnología e Ingeniería Molecular y Química de la Universidad de las Américas Puebla.

María José Monteagudo Candiani: Recién egresada de Licenciatura en la Universidad Instituto Tecnológico de Estudios Superiores y Monterrey en el campus Estado de México.

 

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