10 de agosto de 2023
Nanozimas: NANOPARTÍCULAS MAGNÉTICAS, CONTROL DE RADICALES LIBRES Y ESTRÉS OXIDATIVO CELULAR.
Prof. Dr. Gerardo F. Goya. Profesor Titular. Departamento de Física de la Materia Condensada Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA)-Universidad de Zaragoza. http://www.unizar.es/gfgoya/
Resumen del seminario
Actualmente existe un gran interés en el uso de nanomateriales como contrapartida sintética a las enzimas naturales, no solo en la investigación biológica, sino también para la fabricación industrial, la medicina y la remediación ambiental. Tras el descubrimiento de que algunos nanomateriales poseen propiedades catalíticas, se ha acuñado el término "nanozimas". La física del estado sólido y la ingeniería de materiales ofrecen la posibilidad de sintetizar nanopartículas con un diseño racional de sitios activos de un solo átomo, para esto el conocimiento experimental de la estructura atómica subyacente en los sitios activos y los modelos ab initio de configuraciones electrónicas en estos sitios son fundamentales. Para que una próxima generación de nanozimas pueda igualar la eficiencia catalítica y la especificidad de sustrato de las enzimas biológicas, se deben superar algunos obstáculos importantes, como por ejemplo la naturaleza dinámica de la jaula de proteínas que rodea la mayoría de los sitios activos en las enzimas biológicas (lo que proporciona una gran flexibilidad). Esta charla presentará algunas ideas generales sobre el uso de nanopartículas magnéticas en sus aspectos catalíticos, y tratará de ofrecer una perspectiva realista sobre las posibilidades de las nanozimas en el campo de la bioquímica celular.
Resultados discutidos
Dentro de la presente charla como parte introductoria, se abordó el concepto de nanozimas (nanomateriales con características similares a las enzimas), sus ventajas y desventajas:
• Una nanozima presenta altos niveles de selectividad, se pueden generar varios gramos en un laboratorio, son flexibles, escalables y debido a que son robustas en temperatura y pH pueden ser utilizadas en proceso bio-catalíticos industriales que vayan mucho más arriba en temperatura.
• Dentro de sus desventajas tenemos que su purificación es compleja, algunas tienden a ser tóxicas, presenta una baja especificidad y regeneración, etc.
A continuación, se presentaron algunos de los proyectos en los que se han investigado:
• Se realizan varios estudios donde se analiza el rol de los de radicales libres y las especies reactivas de oxígeno no solo como moléculas dañinas sino también como parte de la señalización del metabolismo celular. Uno de los estudios consistió en evaluar de forma cualitativa y cuantitativa la generación de radicales libres como resultado de la actividad catalítica superficial de nanopartículas MFe 2 O 4 (M = Fe, Ni y Mn) , como función del Fe 2+ /Fe 3+estado de oxidación y ver si esta generación es similar a la que se produce con la peroxidasa.
• Se está analizando la toxicidad de distintos tipos de nanozimas como en el Fe3O4; Zn Fe2O4; Mn Fe2O4 (S); Cu Fe2O4 (S) en sistemas de algas con el objetivo de controlar ciertos procesos industriales.
Relevancia Patológica
• Hasta ahora, solo se ha podido imitar aproximadamente algunas propiedades enzimáticas con nanomateriales.
• Es necesario la aplicación de varios procesos muchos de ellos aun no explorados para superar la enorme brecha generada por la complejidad de utilizar nanozimas en reemplazo de enzimas bilógicas.
• O2 y ROS no son simplemente moléculas tóxicas: son parte esencial de la señalización celular.
• Será necesario un salto cualitativo en el conocimiento de la dinámica molecular y atómica en nanosistemas para poder empezar a hablar de igual a igual con los enzimólogos.
Perspectivas futuras
Dentro de su grupo de investigación y del proyecto NESTOR de cual forma parte, uno de los principales objetivos es llegar a resolver las siguientes interrogantes:
¿Cuáles son las diferencias enzima/nanoenzima en los procesos de Fenton heterogéneos?
• ¿Cuál es el rol del medio circundante en estas reacciones?
• ¿Qué grado de detalle es necesario en la configuración electrónica local para mimetizar una enzima dada?
¿Existen proceso de interferencia en nanoenzimas MFe2O4?
Papers relevantes
- Valdés, D. P., Torres, T. E., Maldonado, A. M., Urretavizcaya, G., Nadal, M. S., Mansilla, M. V., ... & Lima Jr, E. (2023). Thermographical method to assess the performance of magnetic nanoparticles in hyperthermia experiments through spatiotemporal temperature profiles. Physical Review Applied, 19(1), 014042. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.014042
- Tlili, H., Elaoud, A., Asses, N., Horchani-Naifer, K., Ferhi, M., Goya, G. F., & Fuentes-García, J. A. (2023). Reduction of Oxidizable Pollutants in Waste Water from the Wadi El Bey River Basin Using Magnetic Nanoparticles as Removal Agents. Magnetochemistry, 9(6), 157. DOI: 10.3390/magnetochemistry9060157
- Quispe, L. T., Mamani, L. L., Baldárrago-Alcántara, A. A., Félix, L. L., Goya, G. F., Fuentes-García, J. A., ... & Coaquira, J. A. (2022). Synthesis and characterization of α-Fe2O3 nanoparticles showing potential applications for sensing quaternary ammonium vapor at room temperature. Nanotechnology, 33(33), 335704. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac6c93
- Shaterabadi, Z., Nabiyouni, G., Goya, G. F., & Soleymani, M. (2022). The effect of the magnetically dead layer on the magnetization and the magnetic anisotropy of the dextran-coated magnetite nanoparticles. Applied Physics A, 128(8), 631. DOI: 10.1007/s00339-022-05675-x.
- de Almeida, A. A., De Biasi, E., Mansilla, M. V., Valdés, D. P., Troiani, H. E., Urretavizcaya, G., ... & Lima Jr, E. (2020). Magnetic hyperthermia experiments with magnetic nanoparticles in clarified butter oil and paraffin: a thermodynamic analysis. The Journal of Physical Chemistry C, 124(50), 27709-27721. DOI: https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c06843
- Fabris, F., Lohr, J., Lima, E., De Almeida, A. A., Troiani, H. E., Rodríguez, L. M., ... & Winkler, E. L. (2020). Adjusting the Néel relaxation time of Fe3O4/Zn x Co1− x Fe2O4 core/shell nanoparticles for optimal heat generation in magnetic hyperthermia. Nanotechnology, 32(6), 065703. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6528/abc386
- Fuentes-García, J. A., Santoyo-Salzar, J., Rangel-Cortes, E., Goya, G. F., Cardozo-Mata, V., & Pescador-Rojas, J. A. (2021). Effect of ultrasonic irradiation power on sonochemical synthesis of gold nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, 70, 105274. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105274
- Goya, G. F., Mayoral, A., Winkler, E., Zysler, R. D., Bagnato, C., Raineri, M., ... & Lima, E. (2021). Next generation of nanozymes: A perspective of the challenges to match biological performance. Journal of Applied Physics, 130(19). DOI: 10.1063/5.0061499
- Sanz, B., Cabreira-Gomes, R., Torres, T. E., Valdés, D. P., Lima Jr, E., De Biasi, E., ... & Goya, G. F. (2020). Low-dimensional assemblies of magnetic MnFe2O4 nanoparticles and direct in vitro measurements of enhanced heating driven by dipolar interactions: implications for magnetic hyperthermia. ACS Applied Nano Materials, 3(9), 8719-8731. DOI: https://doi.org/10.1021/acsanm.0c01545
- Fuentes-García, J. A., Carvalho Alavarse, A., Moreno Maldonado, A. C., Toro-Córdova, A., Ibarra, M. R., & Goya, G. F. (2020). Simple sonochemical method to optimize the heating efficiency of magnetic nanoparticles for magnetic fluid hyperthermia. ACS omega, 5(41), 26357-26364. DOI: https://doi.org/10.1021/acsomega.0c02212
- Lohr, J., De Almeida, A. A., Moreno, M. S., Troiani, H., Goya, G. F., Torres Molina, T. E., ... & Lima Jr, E. (2018). Effects of Zn substitution in the magnetic and morphological properties of Fe-oxide-based core–shell nanoparticles produced in a single chemical synthesis. The Journal of Physical Chemistry C, 123(2), 1444-1453. DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b08988
- León Félix, L., Sanz, B., Sebastián, V. et al. Gold-decorated magnetic nanoparticles design for hyperthermia applications and as a potential platform for their surface-functionalization. Sci Rep 9, 4185 (2019). DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-40769-2
- Fabris, F., Lima, E., De Biasi, E., Troiani, H. E., Mansilla, M. V., Torres, T. E., ... & Winkler, E. L. (2018). Controlling the dominant magnetic relaxation mechanisms for magnetic hyperthermia in bimagnetic core–shell nanoparticles. Nanoscale, 11(7), 3164-3172. DOI: 10.1039/c8nr07834c