Inspirados en la célula: Investigadores de Bayreuth desarrollan fibras sintéticas con capacidad de autoprotección
Los químicos de Bayreuth utilizan un complejo que contiene zinc y que, por encima de los 32 °C, se agrega de forma reversible formando estructuras de tamaño micrométrico.
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Investigadores de la Universidad de Bayreuth, junto con colegas de la Universidad Libre de Berlín y del Instituto Leibniz de Investigación de Polímeros de Dresde, han desarrollado un sistema de fibras sintéticas inspirado en el citoesqueleto celular que se protege a sí mismo mediante un agrupamiento controlado. Estos hallazgos abren nuevas vías para el desarrollo de materiales inteligentes y conmutables, cuyas propiedades pueden modificarse deliberadamente en respuesta a un estímulo específico.
\--- Por qué es importante
Las células vivas logran una hazaña extraordinaria: mantienen estructuras delicadas, como el citoesqueleto —que se mantiene unido únicamente por débiles interacciones intermoleculares—, incluso en condiciones adversas. Lo consiguen mediante una organización jerárquica y un agrupamiento selectivo. Las moléculas proteicas individuales constituyen los bloques de construcción más pequeños, que se ensamblan para formar filamentos. A continuación, múltiples filamentos se agrupan y se unen mediante proteínas de reticulación, creando estructuras más estables. Reproducir este principio en polímeros sintéticos podría dar lugar a nuevos materiales eficientes en el uso de recursos para aplicaciones como la impresión 3D, la detección y la optoelectrónica, así como la biotecnología. \---
Por primera vez, un equipo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Alex Plajer, de la Universidad de Bayreuth, ha recreado un sistema de fibras con orden jerárquico y agrupamiento controlado en un sistema acuoso totalmente sintético. El punto de partida es una molécula plana que contiene zinc unida a un polímero sensible a la temperatura. En una solución acuosa diluida, estos bloques de construcción se ensamblan espontáneamente formando nanofibras. Sorprendentemente, las propias moléculas de agua se incorporan como componentes estructurales de las nanofibras, en lugar de actuar meramente como disolvente.
Cuando la temperatura supera los 32 °C, las nanofibras, inicialmente independientes, se agrupan formando estructuras de tamaño micrométrico. El mismo proceso de agrupamiento también puede desencadenarse por cambios en la concentración de sal o en la composición del disolvente. Al invertir el estímulo correspondiente —por ejemplo, bajando la temperatura o ajustando la concentración de sal o la composición del disolvente—— los haces se disocian de nuevo. Por lo tanto, el proceso es totalmente reversible.
Es fundamental destacar que esta organización de orden superior protege los componentes básicos, que de otro modo serían frágiles, al igual que ocurre en el citoesqueleto. Mientras que las nanofibras individuales se desintegran rápidamente ante la dilución, las condiciones ácidas o el ataque químico, las fibras agrupadas permanecen estables. «Incluso hemos podido demostrar la protección selectiva de las fibras. En una mezcla que contiene fibras agrupadas y fibras desprotegidas, solo sobreviven las que forman haces, mientras que las demás se desintegran. Este comportamiento se asemeja a la compartimentación selectiva observada en las células, donde se forman regiones u orgánulos distintos dentro del entorno celular», explica Merlin Stühler, primer autor del estudio e investigador doctoral del grupo de Alex Plajer.
Este principio quedó especialmente patente en un experimento inusual. Al ser irradiado con luz ultravioleta, el complejo de zinc se calienta fototérmicamente y mantiene las fibras en su estado protegido y agrupado en haces mientras la fuente de luz siga suministrando energía. Una vez que cesa la irradiación, los haces se disocian y los componentes se desintegran en condiciones ácidas. «De este modo, hemos creado una analogía con los mecanismos que utilizan las bacterias resistentes a los ácidos, las cuales gastan energía de forma activa para mantener su equilibrio interno en condiciones hostiles», afirma Merlin Stühler. «Nuestro sistema, literalmente, solo sobrevive mientras se le suministra energía. Por lo tanto, existe en un estado alejado del equilibrio termodinámico, una característica definitoria de los sistemas biológicos».
La agrupación jerárquica no solo mejora la estabilidad de las fibras, sino que también puede observarse a simple vista. Al calentarlas, las fibras forman un hidrogel a concentraciones unas 200 veces inferiores a las necesarias en sistemas poliméricos comparables. El enfriamiento invierte el proceso, devolviendo el gel a su estado líquido. La gelificación puede activarse mediante irradiación lumínica, mientras que la temperatura de gelificación puede controlarse simultáneamente a través de la concentración de sal o la composición del disolvente. Incluso en estado de hidrogel, los componentes básicos permanecen protegidos frente a los ataques ácidos y químicos.
«Más allá de la idea fundamental de que los principios de organización biológica pueden trasladarse a sistemas sintéticos, vemos un claro potencial de aplicación para nuestro material. Su gelificación reversible, que responde repetidamente a estímulos a concentraciones de material comparativamente bajas, hace que el sistema resulte atractivo para la impresión 3D, donde podría servir como resina de impresión reciclable y “conmutable”», concluye el profesor Plajer. El trabajo también ofrece una novedosa estrategia de diseño para la detección y la optoelectrónica, gracias a las propiedades fotofísicas sensibles a la luz del componente básico que contiene zinc, así como para el desarrollo de materiales más robustos e inteligentes en nanotecnología y biotecnología.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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