La impronta molecular es una técnica para crear cavidades con forma de plantilla en matrices poliméricas con una selectividad predeterminada y una alta afinidad. [1] Esta técnica se basa en el sistema que utilizan las enzimas para el reconocimiento de sustratos , que se denomina modelo de "llave y cerradura". El sitio de unión activo de una enzima tiene una forma específica para un sustrato. Los sustratos con una forma complementaria al sitio de unión se unen selectivamente a la enzima; las formas alternativas que no se ajustan al sitio de unión no se reconocen.
Los materiales con impronta molecular se preparan utilizando una molécula de plantilla y monómeros funcionales que se ensamblan alrededor de la plantilla y posteriormente se reticulan entre sí. Los monómeros, que se autoensamblan alrededor de la molécula de plantilla mediante la interacción entre los grupos funcionales tanto de la plantilla como de los monómeros, se polimerizan para formar una matriz impresa (comúnmente conocida en la comunidad científica como polímero de impronta molecular (MIP)). La plantilla se elimina posteriormente en parte o en su totalidad [1] , dejando atrás una cavidad complementaria en tamaño y forma a la plantilla. La cavidad obtenida puede funcionar como un sitio de unión selectivo para la molécula de plantilla.
En las últimas décadas, la técnica de impronta molecular se ha desarrollado para su uso en la administración de fármacos , separaciones, detección biológica y química, etc. Aprovechando la selectividad de forma de la cavidad, también se ha facilitado su uso en catálisis para ciertas reacciones.
El primer ejemplo de impronta molecular se atribuye a MV Polyakov en 1931 con sus estudios en la polimerización de silicato de sodio con carbonato de amonio . Cuando el proceso de polimerización se acompañaba de un aditivo como el benceno , la sílice resultante mostraba una mayor absorción de este aditivo. [1] En 1949, Dickey utilizó el concepto de impronta molecular de la teoría instruccional; su investigación precipitó geles de sílice en presencia de colorantes orgánicos y demostró que la sílice impresa tenía una alta selectividad hacia el colorante de plantilla. [2]
Tras las observaciones de Dickey, Patrikeev publicó un artículo sobre su sílice "impresa" con el método de incubación de bacterias con sílice en gel. El proceso de secado y calentamiento de la sílice promovió el crecimiento de bacterias mejor que otras sílices de referencia y exhibió enantioselectividad . [3] Más tarde utilizó este método de sílice impresa en otras aplicaciones, como la cromatografía de capa fina (TLC) y la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC). En 1972, Wulff y Klotz introdujeron la impronta molecular en polímeros orgánicos. Descubrieron que el reconocimiento molecular era posible mediante la introducción covalente de grupos funcionales dentro de la cavidad impresa de los polímeros. [4] [5] El grupo de Mosbach demostró entonces que era posible introducir grupos funcionales en cavidades impresas a través de interacciones no covalentes, lo que conducía a la impronta no covalente. [6] [7] Desde entonces, muchos enfoques relacionados con la impronta molecular se han extendido a diferentes propósitos. [1]
En la impresión covalente, la molécula de plantilla se une covalentemente a los monómeros funcionales que luego se polimerizan juntos. Después de la polimerización, la matriz polimérica se escinde de la molécula de plantilla, dejando una cavidad con la forma de la plantilla. Al volver a unirse con la molécula original, los sitios de unión interactuarán con la molécula objetivo, restableciendo los enlaces covalentes . [8] [9] Durante este restablecimiento, se recupera la cinética asociada con la unión de enlaces y la ruptura de enlaces. Luego, la molécula impresa se libera de la plantilla, en la que luego se volvería a unir con la molécula objetivo, formando los mismos enlaces covalentes que se formaron antes de la polimerización. [7] Las ventajas de utilizar este enfoque incluyen el grupo funcional que se asocia únicamente con los sitios de unión, [1] evitando cualquier unión no específica. La molécula impresa también muestra una distribución homogénea de sitios de unión, lo que aumenta la estabilidad del complejo plantilla-polímero. [7] Sin embargo, hay algunos compuestos que se pueden usar para imprimir con moléculas de plantilla a través de enlaces covalentes, como alcoholes , aldehídos y cetonas , todos los cuales tienen una cinética de formación alta. [10] [11] En algunos casos, la unión de la matriz de polímero con la plantilla puede ser muy lenta, lo que hace que este enfoque sea ineficiente en términos de tiempo para aplicaciones que requieren una cinética rápida, como la cromatografía .
Con la impresión no covalente, las fuerzas de interacción entre la molécula de plantilla y el monómero funcional son las mismas que las fuerzas de interacción entre la matriz polimérica y el analito . Las fuerzas involucradas en este procedimiento pueden incluir enlaces de hidrógeno , interacciones dipolo-dipolo y fuerzas dipolares inducidas . [1] Este método es el enfoque más utilizado para crear MIP debido a la fácil preparación y la amplia variedad de monómeros funcionales que se pueden unir a la molécula de plantilla. Entre los grupos funcionales, el ácido metacrílico es el compuesto más utilizado debido a su capacidad para interactuar con otros grupos funcionales. [12] [13] Otra forma de alternar la interacción no covalente entre la molécula de plantilla y el polímero es a través de la técnica 'bite and switch' desarrollada por el profesor Sergey A. Piletsky y Sreenath Subrahmanyam. [14] En este proceso, los grupos funcionales primero se unen de forma no covalente con el sitio de unión, pero durante el paso de revinculación, la matriz polimérica forma enlaces covalentes irreversibles con la molécula objetivo. [14] [15]
La impresión iónica, que involucra iones metálicos , sirve como un enfoque para mejorar la interacción entre la molécula de plantilla y el monómero funcional en agua. [16] Normalmente, los iones metálicos sirven como mediadores durante el proceso de impresión. Los polímeros de reticulación que están en presencia de un ion metálico formarán una matriz que es capaz de unirse al metal. [17] Los iones metálicos también pueden mediar la impresión molecular al unirse a una variedad de monómeros funcionales, donde los ligandos donan electrones al orbital más externo del ion metálico. [1] Además de mediar la impresión, los iones metálicos se pueden utilizar en la impresión directa. Por ejemplo, un ion metálico puede servir como plantilla para el proceso de impresión. [18]
Una aplicación de la tecnología de impresión molecular es en las separaciones basadas en afinidad para análisis biomédicos, ambientales y de alimentos. La preconcentración y el tratamiento de muestras se pueden llevar a cabo eliminando cantidades traza específicas de analitos en muestras utilizando MIP. La viabilidad de los MIP en la extracción en fase sólida , la microextracción en fase sólida y la extracción por sorción con barra agitadora se ha estudiado en varias publicaciones. [19] Además, las técnicas de cromatografía como HPLC y TLC pueden utilizar MIP como materiales de relleno y fases estacionarias para la separación de analitos de plantilla. Se observó que la cinética de los materiales impresos de forma no covalente era más rápida que la de los materiales preparados mediante el enfoque covalente, por lo que los MIP no covalentes se utilizan con más frecuencia en cromatografía. [20]
Otra aplicación es el uso de materiales con impresión molecular como sensores químicos y biológicos . Se han desarrollado para detectar herbicidas, azúcares, fármacos, toxinas y vapores. Los sensores basados en MIP no solo tienen una alta selectividad y una alta sensibilidad, sino que también pueden generar señales de salida (electroquímicas, ópticas o piezoeléctricas) para la detección. Esto permite utilizarlos en la detección de fluorescencia, detección electroquímica, detección de quimioluminiscencia y detección UV-Vis. [7] [20] Las aplicaciones forenses que profundizan en la detección de drogas ilícitas, drogas deportivas prohibidas, toxinas y agentes de guerra química también son un área de creciente interés. [21]
La impronta molecular ha ido surgiendo de forma constante en campos como la administración de fármacos y la biotecnología . La interacción selectiva entre la plantilla y la matriz polimérica se puede utilizar en la preparación de anticuerpos artificiales . En el mercado biofarmacéutico, la separación de aminoácidos, compuestos quirales, hemoglobina y hormonas se puede lograr con adsorbentes MIP . Se han investigado métodos para utilizar técnicas de impronta molecular para imitar moléculas lineales y polianiónicas, como ADN, proteínas y carbohidratos. [22] Un área de desafíos es la impronta de proteínas . Las macromoléculas biológicas grandes solubles en agua han planteado una dificultad para la impronta molecular porque su integridad conformacional no se puede garantizar en entornos sintéticos. Los métodos actuales para abordar esto incluyen la inmovilización de moléculas de plantilla en la superficie de sustratos sólidos, minimizando así la agregación y controlando las moléculas de plantilla para ubicarlas en la superficie de los materiales impresos. [21] Sin embargo, una revisión crítica de la impronta molecular de proteínas realizada por científicos de la Universidad de Utrecht encontró que se requieren más pruebas. [23]
Las aplicaciones farmacéuticas incluyen la administración selectiva de fármacos y sistemas de liberación controlada de fármacos, que hacen uso de las conformaciones estables de los MIP, la liberación rápida en equilibrio y la resistencia al estrés enzimático y químico. [7] También se ha explorado la liberación inteligente de fármacos, la liberación de un agente terapéutico como resultado de un estímulo específico. Se ha demostrado que los materiales impresos molecularmente de insulina y otros fármacos a escala nanométrica exhiben una alta capacidad de adsorción para sus respectivos objetivos, lo que muestra un enorme potencial para los nuevos sistemas de administración de fármacos. [24] En comparación con los receptores naturales , los MIP también tienen una mayor estabilidad química y física, una disponibilidad más fácil y un menor costo. Los MIP podrían usarse especialmente para la estabilización de proteínas, particularmente la protección selectiva de proteínas contra la desnaturalización por calor. [25]
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