Organización dirigida de moléculas pequeñas para la obtención de nanoestructuras que responden a estímulos externos

Abstract

Inspirados en el concepto de investigación traslacional, nuestros proyectos de investigación están dirigidos al desarrollo de sistemas químicos desde el conocimiento básico hasta la aplicación. Los sistemas químicos pueden ser definidos como sistemas auto-ensamblados que son capaces de hacer algo interesante y útil. Considerando los sistemas anfifílicos, hay dos procesos básicos de ensamblado utilizados en su construcción. El primero, es el ensamblado espontáneo de moléculas que se conoce como autoensamblaje. Asimismo, hay procesos con requerimiento de energía que conducen a estructuras metaestables o en “equilibrio permanente”, es decir, de larga duración, que no son necesariamente las estructuras termodinámicamente más favorecidas o estados de equilibrio verdaderos. Este último tipo de proceso se denomina ensamblaje dirigido. Por lo tanto, la capacidad de diseñar y organizar bloques moleculares individuales de construcción, en arquitecturas bien definidas en el agua, sigue siendo un desafío. Inicialmente, utilizamos nuestra experiencia en química orgánica, coloidal e interfacial para desarrollar un sistema fotomodulador de membrana, de potencial utilidad debido tanto a su estructura química simple, como a las propiedades interfaciales y en solución del sistema solo, y en un entorno constituido por una biomembrana. A tal efecto, se presenta la síntesis y caracterización de cuatro anfifilos no iónicos, 3A, 3B, 4A y 4B, basados en un núcleo de azobenceno. A continuación, evaluamos su capacidad de fotoisomerización y su comportamiento como cristales líquidos termotrópicos. Sólo 4A, C12OazoE3OH, presentó utilidad como molécula funcional. En segundo lugar, se realizó la evaluación de 4A puro en la interfase por monocapas de Langmuir y microscopía de ángulo de Brewster. Por otra parte, se comprobó la fotomodulación y la capacidad de penetración de C12OazoE3OH en un modelo de membrana biológica (Lipoid s75TM), presentándose como un sistema de administración inteligente, lo cual representa un objetivo primordial a la hora de realizar investigación traslacional, en el ejercicio del control remoto adecuado para estudios biofísicos en células. En la biomembrana lipídica, el cambio geométrico E-Z de C12OazoE3OH, indujo cambios de fase que aumentan o disminuyen la fluidez y la temperatura de transición de la mezcla. El éxito de la capacidad de respuesta y la funcionalidad resultante son debidos al tamaño de la cabeza y al carácter no iónico que juega un papel esencial en el parámetro de empaquetamiento. Sorprendentemente, experimentos de monocapas de Gibbs demostraron que ambas isoformas de C12OazoE3OH penetraron la membrana lipídica, resultados promisorios para su utilización como sonda externa en sistemas reales. Las vesículas fotoconmutables utilizadas en la administración controlada de fármacos, conocida como “drug delivery”, emplean el ensamblaje dirigido de fosfolípidos y polímeros conteniendo grupos azobencenos unidos covalentemente, o mezclados con un cierto porcentaje de azobencenos, de forma no covalente. Nosotros proponemos la aplicación de un proceso de ensamblaje dirigido sencillo, mediante la utilización de un rotavapor, el cual consiste en la evaporación del disolvente y la formación de un cristal líquido, seguido de autoensamblaje inducido por agua. Este proceso resulta en la construcción de un sistema azovesicular puro o azoniosoma a base de C12OazoE3OH. Esta metodología es similar a la empleada en la producción de liposomas a partir de lípidos, sin embargo, desde nuestro conocimiento, es la primera vez que es utilizada con bloques de construcción π-conjugados puros con características anfifílicas, como lo son las moléculas anfifílicas constituidas por azobencenos. Los sistemas vesiculares obtenidos se evaluaron mediante microscopía óptica y de luz polarizada, espectroscopia UV-Vis, microscopía electrónica y dispersión dinámica de la luz. Además, la capacidad de delivery y las características de fotoisomerización del sistema se evaluaron por espectroscopia de fluorescencia usando la sonda calceína. Aunque se obtuvo un rendimiento de fotoconversión con un PSS de E: Z (36: 54), el cambio en la sección transversal promovido por la isomerización E-Z fue suficiente para liberar el 97% de calceína. Adicionalmente, se comprobó la interacción del colorante Rojo Nilo con las azovesículas E, evidenciándose después de la fotoisomerización E-Z, un desplazamiento de la emisión de fluorescencia hacia la zona azul del espectro de absorción, efecto similar al observado en las vesículas lipídicas. Estos hallazgos en el desarrollo de azoanfifilos no iónicos pueden abrir nuevas perspectivas en el área de estudio del control remoto de membranas y vesículas, materia de incesante innovación, con sus consecuencias en el desarrollo de sistemas citomiméticos fotomodulables y en la administración inteligente de fármacos. Finalmente, se informa la síntesis y caracterización de un sistema peptídico AcFFCNH2, llamado péptido A capaz de formar nanoestructuras promovidas inicialmente por el cambio en las condiciones del medio acuoso a pH 3.0 y 8.0. Además, se evaluó el rol del aditivo TCEP, conocido reductor de enlaces disulfuros, en el proceso de organización dirigida del péptido A, a ambos pH. En estas condiciones observamos que el péptido A, formas nanoestructuras tipo vesículas, las cuales sufren una transición vesícula-cinta-fibra en función del tiempo. Se pudo determinar en todos los casos a las 24 horas, la formación de manojos de fibras, las cuales fueron más robustas a pH 3.0 en condiciones oxidantes. Finalmente se modificó la organización de las fibras maduras obtenidas a pH 8.0, por el agregado de TCEP. En esta condición experimental se observó la ruptura inmediata de los manojos de fibras en nanoestructuras esféricas y tubos que se organizaron en anillos; finalmente el sistema evoluciono a la formación de nano- y micro vesículas. Puesto que la funcionalidad de estas arquitecturas está intrínsecamente ligada a su estructura jerárquica y sus morfologías, que a su vez son consecuencia de una compleja historia de auto-ensamblaje, nuestros resultados contribuyen a avanzar en el estudio de la elucidación de los mecanismos de autoagregación proteica. De esta forma y como fin último podríamos intervenir racionalmente en el diseño de nuevas drogas dirigidas a controlar la no deseada agregación proteica, asociada a diferentes patologías humanas incurables.