Realizan estudios para el desarrollo de biobaterías en el IER

Autora: Nicté Luna
02/06/2022

Los marcapasos y las bombas de insulina utilizan baterías inorgánicas para su funcionamiento, el agotamiento de éstas podría ser riesgoso para el cuerpo humano. Recientemente ha surgido la idea de sustituir dichas baterías por biobaterías, dispositivos que utilizan enzimas, proteínas e incluso bacterias en el proceso de transferencia de carga. La Dra. Margarita Miranda Hernández, investigadora del Instituto de Energías Renovables de la UNAM (IER-UNAM), se encuentra desarrollando esta nueva línea de investigación.

En un seminario impartido el pasado 21 de enero, la Dra. Miranda compartió que existen dos tipos de biobaterías: a) las enzimáticas, cuyo catalizador es una enzima encargada de llevar a cabo una reacción específica en un sustrato; y b) las microbianas, que utilizan microorganismos vivos completos quienes son los encargados de transformar el combustible mediante sus procesos metabólicos.

En los últimos años, la investigadora del IER-UNAM ha realizado investigaciones para desarrollar biobaterías enzimáticas. ¿Cómo funcionan estos dispositivos? Como todas las baterías, tienen un ánodo y un cátodo. Los catalizadores son las enzimas que se adhieren al electrodo, éstas deben tener un pH y temperatura estable para evitar que sucedan reacciones secundarias al interactuar con el electrodo y se desestabilice el dispositivo. Por su parte, el electrodo debe permitir a la enzima realizar sus funciones metabólicas.

Un ejemplo de biobatería es la que está compuesta por un ánodo constituido por un composito de nanotubos de carbono aglomerados con un polímero (polietilenamina), además de un compuesto atrapador (terheptaladehido), que inmoviliza la enzima cerca de los nanotubos de carbono para que realice la transferencia de electrones, mediante una reacción de óxido-reducción.

De acuerdo con la Dra. Miranda, existen algunas propuestas de estos dispositivos, sin embargo, su desarrollo tecnológico ha dejado ver varios obstáculos que deben ser considerados, entre ellos destaca la corta durabilidad de las enzimas, los factores del medio ambiente como los cambios del pH y la temperatura que inactivan las enzimas provocando que éstas realicen sus funciones metabólicas. Asimismo, existe el problema asociado a la manera de inmovilizar ya sea a las bacterias o las enzimas, ya que surgen interacciones entre los electrodos con estos biomateriales.

“Ha habido un especial interés por entender cómo se dan estas interacciones; si se conoce bien cómo interacciona el material del electrodo con una enzima, sería posible trazar la ruta de descripción de los receptores y hacer que las biobaterías tengan un buen funcionamiento”, comentó la Dra. Miranda.

“En el desarrollo de las biobaterías es importante el material del electrodo, tenemos que garantizar una buena interacción con las enzimas y sustratos. Además se debe de considerar que el electrodo sea fácil de alterar; es decir, que nos permita hacer modificaciones químicas en su superficie para facilitar el inmovilizado de las biomoléculas, a su vez que nuestro electrodo sea estable, que no cambie con la temperatura o pH y que éste sea conductor para favorecer la transferencia de carga”, añadió. El reto es diseñar interfaces químicos/biológicas estables.

Para responder cómo lograr una buena interacción entre el material del electrodo y la enzima para que las biobaterías funcionen, la Dra. Margarita Miranda ha realizado varios estudios para diseñar interfases que garanticen una buena interacción. Entre los estudios realizados se destaca el uso de modelado computacional.

La Dra. Margarita ha diseñado y modificado diferentes electrodos con enzimas, proteínas virales y bacterias para interfases híbridas químico-biológicas. Como parte de su trabajo ha identificado los grupos funcionales que están involucrados en la transferencia de carga, así como el tipo de interacciones que le permiten elegir criterios para seleccionar el tipo de inmovilizado de la enzima. “Hemos realizado un estudio teórico-experimental de la reactividad y estabilidad de grupos funcionales en la superficie de electrodos de carbón y biomoléculas en baterías. Se ha trabajado no solo con carbono sino también con óxido metálico, con partículas de oro, plata y paladio”, compartió.

“Un ejemplo de esto es un estudio con la enzima de peroxidasa de rábano, la cual cuenta con un sitio activo. El estudio de modelado sugiere que este sitio debe quedar expuesto para que realice su función metabólica, esto requiere que la enzima se inmovilice mediante uno de sus componentes (aminoácidos) formando un enlace covalente con el electrodo y pueda efectuar la transferencia de carga”, comentó la doctora.

Para este trabajo ella y sus estudiantes han utilizado el modelo computacional basado en la teoría funcional de la densidad, que considera modelos de superficie para simular las superficies de carbono sea en plano basal, de borde tipo silla y de bordes en zigzag, con el objetivo de ver cómo va a interaccionar la superfice de carbono con la enzima. Además del uso de herramientas complementarias, como son métodos híbridos de mecánica cuántica con mecánica molecular (QM/MM), para predecir la transferencia de carga electrodo/biomolécula.

“Este trabajo nos ha servido para encontrar las interacciones. Antes de poner a interaccionar los electrodos con las biomoléculas, simulamos una molécula de rutenio como si fuera la enzima, y vemos la forma en que interactúa con el modelo de superficie, y de esta manera validar las simulaciones”, explica.

Posteriormente, se consideraron diferentes proteínas modelo como: albumina, rotavirus VP6, rotavirus de influenza y rotavirus de hepatitis B, para ver la posibilidad de que éstas pudieran enlazarse con el electrodo de carbono y realizar la transferencia de carga encontrando resultados favorables. Aunque no todos se direccionan a su aplicación a biobaterías, sugieren otras aplicaciones como son en biosensores, soportes conductores de moléculas o de nanopartículas metálicas.