Nanoesponjas, el nuevo ejército de Sauron

Como recordarán los fieles seguidores de SCIENTIA, muchos de los artículos científicos publicados en revistas científicas por el grupo Bioquímica y Biotecnología Enzimática de la Universidad de Murcia al que pertenezco los transformo en este blog en historias basadas en la trilogía de “El Señor de los Anillos”. La similitud entre la molécula con la que trabajo, la ciclodextrina, con el famoso Anillo Único de J.R.R. Tolkien, me permite escribir (a mi manera) decenas de historias friki-científicas. ¿Qué pretendo con ello? Dar a conocer al gran público las investigaciones en el área de la encapsulación molecular realizadas en mi laboratorio empleando una herramienta “especial”. 

La última temporada de “La Ciencia del Señor de los Anillos” acabó de la peor manera posible para mí, el gran Sauron, Señor Oscuro de Mordor. Todos los miembros de la Comunidad del Anillo lograron escapar de mis tropas encapsulantes (ciclodextrinas, maltodextrinas, liposomas, etc.) y ya campan libremente por la Tierra Media. Además, en su huida atraparon a varios de mis leales ejércitos y los tienen encerrados.

Para reconquistar la Tierra Media decidí retirarme a los laboratorios de mi Fortaleza de Barad-dûr y diseñar una nueva molécula encapsulante más poderosa y efectiva que mis queridas ciclodextrinas, que como muchos de ustedes recordarán son moléculas formadas por unidades de glucosa unidas por enlaces α-1-4-glucosídicos.

A) Esttructura y dimensiones de las cilodextrinas naturales. B) Proceso de encapsulación molecular en ciclodextrinas

Estructuralmente, las ciclodextrinas tienen forma de anillo tronco cónico con un interior altamente apolar y un exterior muy hidrofílico lo que les otorga una capacidad para encapsular, mediante la formación de complejos de inclusión, una amplia variedad de moléculas denominadas moléculas huésped dentro de su cavidad interna. Así se logra proteger, estabilizar y aumentar la solubilidad de muchos compuestos bioactivos de naturaleza hidrofóbica. Posteriormente, estas moléculas huésped son liberadas al medio de reacción mediante un proceso de “release” controlado con distintos fines industriales o investigadores.

Aunque las ciclodextrinas tienen muchas ventajas como moléculas encapsulantes, presentan algunas desventajas como su especificidad a la hora de encapsular solo moléculas hidrofóbicas o su rápida cinética de liberación de compuestos bioactivos. De estas desventajas se aprovecharon hobbits, enanos, hombres, elfos, etc. para escapar del interior de mis ciclodextrinas tras ser atrapados, tal y como les conté en anteriores capítulos de esta serie

Sauron y el Rey Brujo de Angmar

El reto de diseñar moléculas encapsulantes más efectivas que las ciclodextrinas era difícil, así que envié a mi más fiel colaborador Khamûl (también conocido como el Rey Brujo de Angmar, el Señor de los NazgûlAdrián Matencio) al Departamento de Química-Física de la Universidad de Turín para que mis aliados italianos dirigidos por Saruman nos ayudaran. Entre ellos, Adrián y un servidor logramos crear unas moléculas maravillosas con la que destruir definitivamente a toda la Comunidad del Anillo: las nanoesponjas.

Las nanoesponjas, tal y como pueden observar en la siguiente imagen, son redes porosas insolubles constituidas por la unión de diversas ciclodextrinas unidas entre sí. Para que estas redes se formen es necesaria la presencia de un agente reticulante, también llamado crosslinker, encargado de la unión de las diferentes ciclodextrinas que forman la red. En nuestro caso el agente reticulante que empleamos para fabricar mi nuevo ejército de nanoesponjas fue el anhídrido piromelitico, un compuesto que se puede preparar mediante la deshidratación del ácido piromelitico con anhídrido acético. 

Síntesis de nanoesponjas de ciclodextrinas con diferentes crosslinkers

¿Qué ventajas presentan las nanoesponjas frente a las ciclodextrinas?

  1. Una de las grandes ventajas que presenta mi nuevo ejército de nanoesponjas es que no solo son capaces de encapsular moléculas hidrofóbicas como ocurre con las ciclodextrinas, sino que también atrapan compuestos hidrosolubles. ¿Cómo lo hacen? Atrapándolas en los espacios acuosos que quedan entre ciclodextrina y ciclodextrina. Esta ventaja de las nanoesponjas es de gran interés para la industria alimentaria (permite enriquecer alimentos y bebidas en moléculas hidrofílicas como vitaminas hidrosolubles, betalaínas, etc.) o cosmética (favorece el enriquecimiento de cremas y sueros en polifenoles solubles en agua). ¿Y esta característica de las nanoesponjas qué ventaja me proporcionará como Señor Oscuro de Mordor?  Al contrario de lo que ocurría en el caso de las ciclodextrinas, que solo me permitía atrapar a los personajes de la comunidad del anillo con mucha grasa en su cuerpo como enanos o hobbits, la incorporación de las nanoesponjas me facilitará encapsular a personajes más hidrofílicos, con menos masa grasa corporal y con más agua en su organismo como mis odiados elfos y a algún que otro humano.
Encapsulación de L-DOPA en los espacios acuosos de las nanoesponjas de ciclodextrinas.

2. Las nanoesponjas tienen otra característica que las hace más efectivas que las ciclodextrinas. Me refiero a su cinética de liberación de moléculas huésped, es decir, la mayor o menor rapidez con la que una molécula encapsulada en su interior es difundida al medio que las rodea. Al ser las ciclodextrinas unidades individuales, cuando una molécula se escapa de su anillo tronco cónico se propaga por el medio de reacción demasiado rápidamente, lo que a veces no es recomendable. Por el contrario, cuando un compuesto encapsulado en una nanoesponja es liberado le cuesta mucho más difundirse. ¿Por qué? Porque cuando la molécula atrapada sale de una de las ciclodextrinas que forman la nanoesponja puede ser encapsulada rápidamente por otras ciclodextrinas adyacentes que constituyen la nanoesponja, tardando mucho más en difundirse al medio externo que rodea estas nuevas redes encapsulantes.

Esta ventaja de las nanoesponjas puede ser aprovechada, por ejemplo, por las empresas que elaboran fragancias y perfumes prolongar en el tiempo el potencial aromático de las moléculas encapsuladas en nanoesponjas frente a las atrapadas en ciclodextrinas. También por la industria farmacéutica para diseñar nuevos fármacos de acción retardada. Como podrán imaginar, esta propiedad impedirá que hobbits, elfos, enanos, hombres y demás miembros de la Comunidad del Anillo se escapen de las nanoesponjas con la facilidad con que lo hacen de las ciclodextrinas. 

Aplicaciones de las nanoesponjas

3. La tercera ventaja de las nanoesponjas es su capacidad para encapsular en su interior mayores concentraciones de compuestos bioactivos que en el caso de las ciclodextrinas, lo que ayuda a incrementar la solubilidad y estabilidad de los compuestos encapsulados… y evidentemente a introducir más traidores de la Tierra Media en su interior que en el caso de usar ciclodextrinas individuales.

4. Además, las redes de nanoesponjas poseen más grupos reactivos en su estructura que las ciclodextrinas individuales, lo que incrementa la posibilidad de ser modificadas de cara a obtener la nanoesponja más apropiada para encapsular cada molécula huésped, protegiéndola así de la degradación producida por distintos agentes como el calor, aire, luz o humedad. 

5. Finalmente, se ha demostrado que las nanoesponjas no presentan toxicidad cuando son administradas vía oral, parenteral, tópica o inhalatoria, lo que es fundamental para su aplicación en diversos sectores… y a mí, el Señor Oscuro de Mordor, me permitirá disponer de varias posibilidades a la hora de eliminar a mis enemigos.

Métodos de aplicación de nanoesponjas en humanos

Estimados lectores de Scientia, hoy les he presentado a las nanoesponjas, un nuevo grupo moléculas encapsulantes que están protagonizando cientos de investigaciones en los mejores centros de investigación del mundo ya que tienen un futuro muy prometedor en el sector alimentario, farmacéutico, cosmético. textil… pero no olviden lo más importante: les he enseñado mi nuevo ejército que me permitirá encapsular a los miembros de la Comunidad del Anillo como leerán en próximos posts y darles su merecido. 

Jose

PD: En el siguiente capítulo de “La ciencia del Señor de los Anillos” les mostraré como gracias a las nanoesponjas los enanos Gimli, Balin, Thorim II y muchos más han pasado a mejor vida…no se lo pierdan.

Las próximas víctimas de Sauron y el Rey Brujo de Angmar

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