Nanomateriały magnetyczne - doskonałe osiągi i wysoki poziom bezpieczeństwa biologicznego
Nanokatalizatory magnetyczne oparte na tlenku żelaza są przedstawicielami nowej klasy syntetycznych enzymów, które doskonale naśladują ich naturalne odpowiedniki. Ponadto charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami pozwalającymi na ich łatwe sterowanie oraz odzyskiwanie dzięki polom magnetycznym emitowanym z zewnątrz. Przewidywanie i kontrolowanie ich selektywności, stabilności, powtarzalności oraz bezpieczeństwa biologicznego w rzeczywistych warunkach stanowi istotne wyzwanie. Projekt NESTOR(odnośnik otworzy się w nowym oknie), powołany dzięki finansowaniu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), miał na celu rozwiązanie tych problemów i dokonanie przełomu. „Zamiast skupiać się na syntezie zróżnicowanych nanocząstek i nanomateriałów z myślą o optymalizacji poszczególnych właściwości, skupiliśmy się na modyfikacji powierzchni tlenków żelaza w taki sposób, by umożliwić dostosowanie aktywności katalitycznej, reakcji na pola magnetyczne i bezpieczeństwa biologicznego w ramach jednej platformy materiałowej”, wyjaśnia Gerardo F. Goya, koordynator projektu.
Od badań empirycznych do gotowego planu
Aby zrealizować założone cele, zespół projektu NESTOR skupił się na opracowaniu nowego podejścia do badań nanoenzymów, odchodząc od czysto empirycznych badań opartych na metodzie prób i błędów, którą zastąpiły kompleksowe ramy badań mechanistycznych. W ramach tych badań zespół ustalił wpływ cech powierzchni nanocząstki (jej ładunku atomowego, defektów, powłok i ogrzewania magnetycznego) na szlaki chemiczne wykorzystywane w celu wytwarzania lub niszczenia cząstek reaktywnych. Badane rodzaje reakcji chemicznych obejmowały procesy typu Fentona, a także procesy podobne do peroksydazy oraz katalazy. Zrozumienie tych zjawisk jest istotne ze względu na fakt, że ten sam materiał może zachowywać się zupełnie inaczej w zależności od pH, aglomeracji lub warunków biologicznych w jego otoczeniu. Porównując wpływ zmian w rozkładzie kationów, stanie redoks i strukturze powierzchniowej na osiągi i reakcję biologiczną, zespół opracował metodę umożliwiającą przewidywanie zachowań, które dotychczas pozostawały zupełnie nieprzewidywalne. „Już na wczesnym etapie prac zdaliśmy sobie sprawę, że wyższa aktywność katalityczna nie zawsze jest korzystna. Stres oksydacyjny stanowi miecz obosieczny - można go wykorzystać w celu zwalczania drobnoustrojów, rekultywacji środowiska i leczenia nowotworów, jednak wymaga precyzyjnej kontroli. W innym wypadku może doprowadzić do niepożądanych uszkodzeń komórek”, wyjaśnia G. Goya. „Aby osiągnąć bezpieczny złoty środek między osiągami i biokompatybilnością, systematycznie badaliśmy cytotoksyczność i genotoksyczność w zaawansowanych modelach in vitro”. W celu ustalenia tej równowagi badacze połączyli analizy biologiczne z zaawansowanymi technikami charakteryzacji opartymi na mikroskopii elektronowej wysokiej rozdzielczości, spektroskopii i magnetometrii. Wykorzystali także podejście wielopoziomowe, w ramach którego badali zdolność cząstek w zakresie generowania lub modulowania rodników tlenu na różnych poziomach złożoności, począwszy od podstawowych testów katalitycznych i wykrywania wolnych rodników po badania w żywych komórkach.
Szersze spojrzenie na nanocząstki
„Głównym osiągnięciem projektu NESTOR jest skuteczne zestawienie fizykochemii nanocząstek magnetycznych z ich działaniem biologicznym. Udało nam się zbadać nanoenzymy nie tylko w roli katalizatorów, ale także materiałów, których stosowanie wymaga kompleksowego projektowania właściwości powierzchni, magnetycznych i toksykologicznych”, zauważa koordynator. Jak wyjaśnia G. Goya, powierzchnia nanocząstki działa jak gęsta, adresowalna magnetycznie macierz obszarów charakteryzujących się aktywnością redoks. Dostosowując stan powierzchni tlenku żelaza, badacze są w stanie kontrolować sposób przenoszenia elektronów do cząsteczek reaktywnych. „Ze względu na magnetyzm nanoemzymów możemy wykorzystać zewnętrzne pola magnetyczne w celu ich aktywacji, sterowania ich ruchem, rozdzielania i ponownego wykorzystywania. Dzięki temu stają się wyjątkowe w porównaniu z wieloma konwencjonalnymi katalizatorami stosowanymi w ochronie zdrowia, uzdatnianiu wody oraz biotechnologii przemysłowej”, dodaje.
Zwiększanie skali produkcji i nowe partnerstwa
W ramach kolejnych etapów prac badacze skupią się na zwiększeniu skali produkcji nowych enzymów, opracowaniu norm dotyczących wskaźników aktywności nanoenzymów oraz kontynuacji badań przedklinicznych. „Myślę, że najbardziej istotną spuścizną projektu NESTOR jest duch współpracy. Wyjątkowe osoby uczestniczące w projekcie oraz synergie partnerów reprezentujących różne dziedziny i obszary okazały się kluczem do pokonania przeszkód administracyjnych, jednocześnie dając początek co najmniej siedmiu nowym projektom”, podsumowuje G. Goya.
