Científicos investigan el control remoto de enzimas a través de la luz

En el marco de un estudio realizado en la Universidad de São Paulo, en Brasil, investigadores aceleran la actividad de enzimas inmovilizadas en nanopartículas de oro mediante la irradiación con láser infrarrojo. Esta técnica puede tener aplicaciones biomédicas e industriales

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La actividad de las enzimas, tanto en procesos industriales y de laboratorio como en el interior de seres vivos, puede controlarse en forma remota a través de la luz. Para ello, debe inmovilizárselas en las superficies de nanopartículas e irradiárselas con láser. La luz emitida en el rango del infrarrojo es capaz de penetrar en tejidos vivos sin dañarlos. Las nanopartículas absorben la energía de la radiación y la liberan bajo la forma de calor o de efectos electrónicos, desencadenando o intensificando la actividad catalítica de la enzima. Esto configura un nuevo campo de estudio al que se lo denomina biocatálisis plasmónica.

En un estudio realizado en el Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), en Brasil, se investigó la actividad de enzimas inmovilizadas en nanopartículas de oro controladas mediante la irradiación de láser infrarrojo. Y un artículo al respecto salió publicado en el periódico científico ACS Catalysis, de la American Chemical Society.

Este estudio contó con el apoyo de la FAPESP mediante una Beca Posdoctoral y una Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior, otorgadas ambas a su autora principal, Heloise Ribeiro de Barros, una Ayuda a Equipos Multiusuarios y en el marco del Proyecto Temático intitulado “La optimización de las propiedades fisicoquímicas de materiales nanoestructurados y sus aplicaciones en reconocimiento el molecular, la catálisis y la conversión y el almacenamiento de energía”, coordinado por Roberto Manuel Torresi. 

“Utilizamos una lipasa [CALB] como enzima modelo, inmovilizada en nanopartículas de oro en dos formatos: esferas y estrellas. Mediante la aplicación del láser infrarrojo, fue posible acelerar la actividad de la enzima de modo no invasivo, a través de la iluminación con la luz externa, sencillamente”, le dice Heloise Ribeiro de Barros a Agência FAPESP.

Este estudio demostró que no es solamente la composición del material, sino también su forma geométrica la que influye en el efecto de las nanopartículas sobre la enzima. “La actividad enzimática se incrementó significativamente cuando se inmovilizó la lipasa en las nanoestrellas de oro: fue un aumento que llegó hasta el 58 %. En comparación, las nanoesferas de oro generaron un aumento mucho menor, del 13 %. Este incremento mayor corresponde al efecto de resonancia entre las superficies de las nanoestrellas y la radiación del láser”, explica Ribeiro de Barros.

A la magnitud que se considera en este caso se la denomina “resonancia plasmónica de superficie localizada” (LSPR, las siglas en inglés de localized surface plasmon resonances). Mientras que la LSPR de las nanoesferas absorbe en 525 nanómetros, la de las nanoestrellas llega a los 700 nanómetros, un valor mucho más cercano a la longitud de onda del láser infrarrojo, que es de 808 nanómetros.

“La luz que incide desencadena procesos energéticos como el aumento de temperatura, o efectos electrónicos sobre las nanopartículas de oro. Y esto afecta a las propiedades de las enzimas que se encuentran inmovilizadas en las superficies. Fue posible arribar a la conclusión de que el calentamiento fototérmico localizado sobre las superficies de las nanoestrellas de oro, provocado por la excitación de la LSPR, derivó en el aumento de la biocatálisis de la lipasa. Y esta conclusión puede extenderse a otras combinaciones de enzimas y nanopartículas plasmónicas”, afirma la investigadora.

El espectro de aplicaciones es amplio. Y va desde la biocatálisis para acelerar reacciones químicas a escala industrial hasta el control in vivo de enzimas responsables del desencadenamiento de enfermedades. Desde una perspectiva futurista, se puede pensar en la utilización de este tipo de procesos en el tratamiento de afecciones tales como el párkinson y el alzhéimer. Pero, por supuesto, para que esto se erija como una alternativa real, habrá que realizar nuevos estudios.

“Desde el punto de vista médico, el gran propósito de este estudio consiste en poder aportar soluciones en un futuro cercano para el tratamiento de enfermedades sin la necesidad de realizar cirugías invasivas y de una manera espaciotemporal específica, para evitar los efectos colaterales de los métodos actuales”, comenta Ribeiro de Barros.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Mechanistic insights into the light-driven catalysis of an immobilized lipase on plasmonic nanomaterials en el siguiente enlace: pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c04919.