Caracterización de nanosistemas magnéticos y su aplicación en quimioterapia dirigida y nanorremediación

Abstract

Las nanopartículas de magnetita (Fe3O4) han despertado un gran interés en el campo de la biotecnología debido a su alta relación superficie/volumen, que puede utilizarse para anclar cantidades relativamente altas de moléculas específicas, y porque pueden manipularse fácilmente utilizando un campo magnético externo, debido a su alto momento magnético en comparación con otros óxidos de hierro. Se pueden sintetizar de manera inorgánica utilizando diferentes procesos pero, generalmente, a altas temperaturas y presiones, lo que implica altos costes de producción. Además, estas magnetitas producidas químicamente no suelen presentar todas las características deseables (alta magnetización, tamaños y morfologías adecuadas, biocompatibilidad o alta estabilidad química) para ciertas aplicaciones biomédicas. Las bacterias magnetotácticas (MTB) sintetizan magnetosomas, compuestos de Fe3O4 monocristalino envuelto por una membrana, mediante un estricto control genético en el que intervienen proteínas únicas llamadas proteínas asociadas a magnetosomas (MAPs). Este proceso de biomineralización controlada (BCM) da como resultado nanopartículas de magnetita con estructuras cristalinas perfectas, alta pureza química, morfologías alargadas y una estrecha distribución de tamaños entre 30 y 120 nm, que hace que estos cristales sean de dominio magnético único y, en consecuencia, la nanopartícula magnética ideal. Sin embargo, no es posible escalar a nivel industrial el cultivo de MTB debido a sus exigentes condiciones nutricionales y su lento crecimiento, por lo que los magnetosomas no pueden obtenerse en grandes cantidades. De hecho, este es el cuello de botella para la aplicación de los magnetosomas en nanotecnología. En este contexto, una de las alternativas propuestas es la biomimética, es decir, la producción in vitro de nanopartículas magnéticas similares a los magnetosomas mediante la utilización de MAPs, dado que la interacción preferencial de MAPs con el cristal de magnetita se ha sugerido para explicar las propiedades únicas de las magnetitas producidas por las MTB. Sin embargo, todavía hay muchas incógnitas relacionadas con las estructuras y funciones de la mayoría de las MAPs. Por lo tanto, desde un punto de vista biológico, así como para la aplicación práctica de estas nanopartículas de magnetita biomiméticas (BMNPs), comprender este proceso de BCM, el único conocido hasta ahora en el dominio Bacteria, representa un desafío de extraordinaria importancia.

Magnetite (Fe3O4) nanoparticles are of great interest in biotechnology field since they have a large area surface, which can be used for anchoring relatively large amounts of specific molecules, and can be easily manipulated by using an external magnetic field because of their high magnetic moment per particle compared to other iron oxides. They can be synthesized inorganically using different processes but, generally, performed at high temperatures and pressures, which involves high costs of production. Moreover, these chemically-produced magnetites usually do not have all desirable features (i.e. high magnetization, consistent sizes and morphologies, biocompatibility or high chemical stability) for certain biomedical applications. Magnetotactic bacteria (MTB) synthesize magnetosomes comprised of membrane-enveloped single crystalline Fe3O4 by a strict genetic control in which are involved unique proteins called magnetosomeassociated proteins (MAPs). This controlled biomineralization process (BCM) results in nanomagnetites with perfect crystal structures, high chemical purity, elongated morphologies and narrow size distribution (between 30 and 120 nm), making these crystals a single magnetic domain and, in consequence, the ideal magnetic nanoparticles. However, the scale up of such a production is not possible at present because of the exigent nutrition conditions of MTB and their slow growth, so magnetosomes cannot be obtained in large quantities. In fact, this is the bottleneck for the application of magnetosomes in nanotechnology. In this context, one of the proposed alternatives is biomimetic, i.e the in vitro production of magnetosome-like magnetic nanoparticle mediated by MAPs, since preferential interaction of MAPs with magnetite crystal has been suggested to explain the unique properties of the magnetites produced by MTB. However, there are still many unknowns related to the structure and function of most of the MAPs. So from a biological standpoint, as well as for the potential application of this biomimetic magnetite nanoparticles (BMNPs), understanding this BCM, the only one known so far in the domain Bacteria, represents a challenge of extraordinary importance.