22.05.2020 - Universität Wien

La naturaleza se revela ante la ciencia

La tecnología de punta permite el monitoreo en tiempo real de la biomineralización

Los desafíos sociales del siglo XXI, como la evolución demográfica y el envejecimiento de la población, exigen nuevos materiales funcionales, como las prótesis óseas. La naturaleza a menudo sirve de inspiración al diseñar estos materiales. En un estudio reciente publicado en Analytical Chemistry, un equipo dirigido por Dennis Kurzbach, de la Facultad de Química de la Universidad de Viena, galardonado con el premio ERC, informa de un enfoque innovador para la vigilancia en tiempo real de alta resolución de la mineralización del fosfato de calcio, que es un importante proceso natural para la formación de, por ejemplo, hueso, caparazón y dientes. Mostraron cómo la tecnología de RMN de próxima generación permite crear nuevos conocimientos sobre la eficiencia de los materiales naturales.

"La naturaleza se revela a sí misma antes que la ciencia" es una escultura de Louis-Ernest Barrias que se exhibe en el Museo de Orsay en París. Una colaboración de investigación de la Universidad de Viena y la Sorbona de París se tomó ahora este credo a pecho. "Para crear materiales funcionales eficientes, la naturaleza ofrece las mejores recetas proporcionando conceptos de éxito evolutivo", dice Dennis Kurzbach del Instituto de Química Biológica. Kurzbach y sus colegas aplicaron una tecnología desarrollada conjuntamente, basada en la espectroscopia de RMN, para revelar los secretos de la biomineralización.

Cerrando las brechas de precisión

La RMN (resonancia magnética nuclear) es un método importante para determinar las estructuras de las moléculas en solución, aunque de resolución limitada. Para facilitar la supervisión en tiempo real de los procesos químicos rápidos, Dennis Kurzbach y su equipo desarrollaron un nuevo prototipo que, basado en la hiperpolarización (más concretamente en la polarización nuclear dinámica de disolución, D-DNP), proporciona a los científicos señales hasta 10.000 veces amplificadas en los experimentos de RMN.

Con este prototipo de D-DNP, los científicos pueden monitorear los procesos que tienen lugar en la escala de tiempo de milisegundos, mientras que al mismo tiempo se pueden resolver átomos individuales. El prototipo abarca un sistema ya patentado para mezclar varios socios de interacción en milisegundos y para iniciar la detección en tiempo real.

La precipitación de los sólidos iónicos de la solución

Dennis Kurzbach, experto en el desarrollo de métodos, inició la prueba de concepto con su colega parisino Thierry Azaïs, interesado en una mejor comprensión de los pasos iniciales de la biomineralización. Utilizando la monitorización del D-DNP, los científicos probaron la cinética de interacción rápida como la que subyace a la formación de las especies de prenucleación que se desarrollan en milisegundos cuando los iones de calcio y fosfato se encuentran en solución y que preceden a la separación de fases sólido-líquido no clásica. "Por primera vez, fuimos capaces de caracterizar analíticamente estas especies de prenucleación en alta resolución", explica Kurzbach, que ha establecido la tecnología de vanguardia en la Instalación Central de RMN de la Facultad de Química en el marco de su Beca de Inicio ERC.

Con sus nuevos conocimientos y tecnología, los investigadores también están contribuyendo material a una larga disputa sobre la teoría detrás de la biomineralización del fosfato de calcio. "Algunos investigadores dudan de que las especies de prenucleación puedan integrarse en el marco teórico clásico desarrollado durante décadas", dice Dennis Kurzbach.

El estudio del investigador también da inicio a un proyecto recientemente concedido y financiado por el Fondo Científico Austríaco FWF, en el que Kurzbach pretende utilizar su tecnología para avanzar en la caracterización de los biominerales así como de los procesos químicos iniciales previos a la nucleación. Por ejemplo, pretende aclarar si el tamaño de las especies recién descubiertas es controlable y, en caso afirmativo, si es posible diseñar la futura dureza o fragilidad del material macroscópico.

"Además, será interesante ver si podemos ayudar a resolver las actuales carencias teóricas", dice Kurzbach, que se graduó no sólo en química, sino también en filosofía. "Para mí, nuestros objetivos de investigación también se reflejan fuertemente en las ideas de Aristóteles: Todos los seres humanos se esfuerzan por la naturaleza en busca del conocimiento." La tecnología del D-DNP permite ahora profundizar en nuestro conocimiento de la naturaleza de los materiales, lo que proporciona importantes propiedades a las personas y a la sociedad.

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  • espectroscopía de RMN
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