Gotas complejas de coacervados como material modelo para el estudio de la respuesta electrodinámica y la manipulación de material biológico

Alamgir Karim, titular de la cátedra Dow y profesor de la Fundación Welch de Ingeniería Química y Biomolecular, dirigió el equipo de investigación. Crédito: Universidad de Houston

La manipulación de partículas sólidas de unos pocos micrómetros mediante un campo eléctrico ha sido de gran interés para los físicos. Estas partículas controlables pueden ensamblarse en cadenas dinámicas que pueden controlar eficazmente el flujo de líquidos en tubos delgados como los capilares. La sustitución de estas partículas sólidas por gotas de líquido permitiría aplicaciones de electrorreología en biotecnología hasta ahora inalcanzables, ya que las gotas de líquido pueden almacenar y utilizar diversas biomoléculas, como las enzimas. Hasta ahora, no era posible utilizar gotas líquidas para la electrorreología, ya que tienden a unirse o deformarse, lo que las hace ineficaces como fluidos electrorreológicos.

Una nueva investigación dirigida por la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston*, en colaboración con el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y la Universidad de Chicago, ha demostrado una vía sencilla para estabilizar las gotas de coacervados de polielectrolitos que no se unen ni se deforman bajo un campo eléctrico. El estudio se ha publicado recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Gracias a la alta polarizabilidad y a la carga superficial residual, estas gotitas «estabilizadas» pueden dirigirse en un entorno acuoso utilizando una fuente de baja tensión, por ejemplo, una pila de 9V. Conocidas como coacervados, estas gotas contienen polímeros cargados que permiten la encapsulación de especies cargadas biológicamente relevantes, como proteínas y genes. Así, tienen el potencial de transportar y entregar una variedad de cargas útiles en las industrias manufacturera y médica.

Las gotas de coacervados se forman cuando dos polímeros de carga opuesta, también llamados polielectrolitos, se coagulan en un estado de condensación en una solución salina. Más concretamente, la solución suele convertirse rápidamente en un sistema bifásico, con las gotas de coacervado ricas en polímeros suspendidas en la solución circundante. Las gotitas tienen un tamaño de decenas de micras, aproximadamente el tamaño de las células biológicas típicas. De hecho, se ha demostrado que estas gotitas realizan varias reacciones biológicamente relevantes. Sin embargo, las gotas de coacervado tienen un gran inconveniente: se fusionan entre sí para formar gotas cada vez más grandes mediante la coalescencia hasta que todas las gotas se fusionan para formar una capa macroscópica asentada debido a la sedimentación por gravedad.

«Piense en mezclar una cuchara de aceite de oliva en una taza de agua y agitarla enérgicamente. Al principio, verá pequeñas gotas que enturbian la mezcla, pero con el tiempo estas gotas se fusionan para formar capas separadas de aceite y agua. Del mismo modo, los biorreactores de gotas o los fluidos electrorreológicos fabricados con coacervados fallan con el tiempo cuando las gotas se fusionan para formar capas», explica Alamgir Karim, catedrático de Dow y profesor de la Fundación Welch de la Universidad de Houston, que dirigió el proyecto de investigación, en colaboración con Jack F. Douglas, colega y físico de polímeros del NIST desde hace mucho tiempo, con las ideas aportadas por el experto en coacervados polielectrolíticos, Matthew Tirrell, decano de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.

«Los científicos resolvieron el problema de la coalescencia de las gotas de aceite añadiendo moléculas de surfactante que van a la interfaz de las gotas de aceite, impidiendo que éstas se fusionen», dijo Douglas. Hace poco se aplicó una tecnología similar a las gotas de coacervado, en la que se utilizaron cadenas de polímeros especializadas para recubrir la interfaz de las gotas, prohibiendo así su coalescencia. Sin embargo, estos recubrimientos moleculares impiden el transporte de material dentro y fuera de las gotas, lo que las hace ineficaces para las aplicaciones de los biorreactores.»

«Quería estabilizar estas gotitas sin introducir ninguna molécula adicional», dijo Aman Agrawal, el estudiante graduado del Grupo de Investigación Karim que dirigió el proyecto. Tras meses de investigación, Agrawal descubrió que «cuando las gotas de coacervado se transfieren de su solución salina original a agua destilada, su interfaz tiende a adquirir una fuerte resistencia contra la coalescencia». Los investigadores proponen que esta estabilidad de las gotas se debe a la pérdida de iones de la interfaz de la gota en el agua destilada, impulsada por un cambio brusco en la concentración de iones. A continuación, Agrawal estudió estas gotas estables bajo un campo eléctrico, demostrando cómo formar cadenas de gotas bajo un campo de corriente alterna y luego desplazándolas con un campo de corriente continua.

«Este nuevo avance en el campo de los coacervados», dijo Tirrell, «tiene aplicaciones potenciales en la administración de fármacos y otras tecnologías de encapsulación. En biología básica, este mecanismo puede explicar por qué los orgánulos intracelulares y los condensados biológicos, así como las protocélulas prebióticas (posibles agentes del origen de la vida) tienen la estabilidad que tienen.» Mediciones recientes han demostrado que células de diversos tipos pueden manipularse de forma bastante similar a las gotas de coacervado estabilizadas con la aplicación de campos eléctricos, lo que sugiere que la polarizabilidad de las gotas de coacervado podría tener importantes ramificaciones para la manipulación de numerosos materiales biológicos compuestos de polímeros cargados.


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Más información:
Aman Agrawal et al, Manipulación de gotas de coacervado con un campo eléctrico, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2203483119

Proporcionado por
Universidad de Houston

Cita:
Gotas complejas de coacervados como material modelo para estudiar la respuesta electrodinámica de materiales biológicos (2022, 4 de agosto)
recuperado el 4 de agosto de 2022
de https://phys.org/news/2022-08-complex-coacervate-droplets-material-electrodynamic.html

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