Obtención de arreglos regulares metálicos sobre superficies de sistemas nanopartícula-proteína y su aplicación en catálisis

Abstract

El diseño y preparación de arreglos regulares de nanopartículas metálicas tienen gran relevancia en la actualidad ya que han demostrado tener propiedades catalíticas excepcionales. Uno de los mayores desafíos en este campo es desarrollar métodos que permitan obtener estos ensamblados en nanoescala perfectamente dirigidos y controlados. Desde la bionanotecnología se han introducido grandes aportes, entre los que se destaca el empleo de proteínas en estrategias de construcción biomolecular. En este sentido, las proteínas de capa-S han emergido como bloques de construcción de arreglos de nanopartículas metálicas al combinar la capacidad para autoensamblarse formando arreglos nanométricos sobre distintas superficies, a su habilidad para sintetizar nanopartículas metálicas. No obstante, aún quedan muchos aspectos por explorar sobre estas proteínas con el fin de desarrollar nuevos productos tecnológicos basados en nanopartículas metálicas para su aplicación en catálisis. Por esto, el presente trabajo de tesis propone el diseño de un sistema compuesto por proteínas de capa-S y partículas poliméricas para su posterior empleo en la síntesis de nanopartículas metálicas con la finalidad de obtener un bionanocatalizador activo frente a reacciones de hidrogenación en fase acuosa. El mismo inicia con la síntesis de cuatro dispersiones acuosas de partículas poliméricas, diseñadas con el propósito de ofrecer a las proteínas de capa-S una variedad de superficies sobre las que adsorberse. Las dispersiones obtenidas resultaron ser coloidalmente estables, con partículas de tamaño similar y con densidad de carga superficial negativa asociada a la presencia de grupos oxhidrilos, sulfatos y/o carboxilatos. Por otra parte, se realizó la extracción y purificación de dos proteínas de capa-S de dos cepas de Lactobacillus kefiri. Las proteínas de capa-S fueron caracterizadas fisicoquímicamente en término de su composición, peso molecular, punto isoeléctrico, estructura secundaria y geometría bidimensional. Se estudió la adsorción de las proteínas sobre las partículas poliméricas realizando isotermas de adsorción que fueron modeladas según el modelo de Langmuir-Freundlich. Los sistemas resultantes fueron caracterizados fisicoquímicamente y morfológicamente evidenciándose una morfología “core-shell”. Empleando sistemas los polímero/proteína seleccionados, se lograron obtener nanopartículas de metales nobles (Pt o Ag) soportadas. El conjunto (polímero/proteína-nanopartícula metálica) presentó una morfología "strawberry", observándose nanopartículas metálicas de entre 2 y 20 nm estabilizadas sobre los soportes polímero/proteína. Los bionanocatalizadores obtenidos fueron evaluados frente a la reacción de reducción de p-nitrofenol. La performance catalítica observada fue excelente, con conversiones del orden del 95% y tiempos que variaron según la concentración del catalizador empleado en condiciones suaves de reacción. A su vez, los mismos pudieron reutilizarse en hasta 10 ciclos de uso con una disminución leve a moderada de su actividad catalítica. Estos no presentaron alteraciones fisicoquímicas importantes post-reacción. De esta manera, se logró diseñar y obtener bionanocatalizadores con excelente desempeño catalítico formados por nanopartículas de metales nobles sintetizadas (dirigidas, estabilizadas) y soportadas sobre sistemas partícula polimérica/proteína de capa-S.