Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco
Virus: unos innovadores generadores de electricidad.
Desde tiempos inmemoriales, se sabe que los virus causan muchas enfermedades. Sin embargo, los últimos avances científicos han facilitado su uso en diversas aplicaciones biomédicas, ya que los virus ofrecen ventajas excepcionales para el diseño y la síntesis de micro-materiales. En primer lugar, gracias a su capacidad para encapsular en su cubierta proteica una determinada información genética (huella genética), los virus pueden infectar células huésped y producir rápidamente un gran número de copias idénticas del material insertado. En segundo lugar, los virus pueden adaptarse para producir componentes con funciones biológicas peculiares y evolucionar hacia materiales con capacidades novedosas. En tercer lugar, su capacidad de autoensamblaje les permite formar una amplia gama de estructuras supramoleculares con propiedades fotónicas y ópticas únicas.
El BACTERIOFAGO M13
El fago M13 pertenece a la familia de los bacteriófagos filamentosos específicos de F (fagos Ff), y concretamente se clasifica§ dentro del género Inovirus§. Estos infectan a las bacterias que tienen el factor de fertilidad (F). La partícula del virus es de unos 900 nm de longitud y tiene un diámetro de 6 nm. Tiene un ADN circular monocatenario, de 6407 nucleótidos. Este genoma está encapsulado por una cubierta formada por las proteínas de cubierta mayor pVIII, y las proteínas de cubierta menor pIII, pVI, pVII y pIX. La proteína pVIII tiene un dominio C-terminal cargado positivamente, un dominio hidrofóbico intermedio y un dominio N-terminal. La unión del dominio C-terminal con el ADN circular monocatenario del fago M13 crea una carga negativa neta en la superficie.
El fago M13 infecta solamente a especies bacterianas, por lo que no constituye ningún peligro para el ser humano, y lo convierte en una herramienta beneficiosa en los campos de la medicina terapéutica, de la biodetección (establecimiento de biosensores), de los inmunoensayos, y de la obtención de imágenes in vivo. Estos fagos se pueden manipular fácilmente, adaptando materiales a las necesidades funcionales. Además, su morfología única y flexibilidad, también contribuyen a mejorar su rendimiento. Además de esto, el M13 sirve de modelo vírico en la técnica de librerías de visualización de fagos (del inglés, phage display libraries), que se utiliza para identificación de la interacción entre proteínas, o proteínas y ADN. Varios investigadores han utilizado este fago como bio-plantilla para fotocatalizadores y colorantes. E incluso se ha modificado el M13 (fagos modificados genéticamente) para la producción de electricidad en respuesta al tacto (triboelectricidad) y a la presión (piezoelectricidad).
En un trabajo reciente, Kim y colaboradores adaptaron genéticamente las proteínas mayor y menor de cubierta del fago M13, induciendo una polarización unidireccional en las partículas del fago (Figura 1). Cuando sometían a las partículas a calentamiento, la estructura alfa-helicoidal de la cubierta se transformaba en espirales aleatorias (en una reacción reversible), conduciendo a la generación de electricidad. La electricidad producida en respuesta aun estímulo térmico (calor) se conoce como pirolectricidad. Esta piroelectricidad está asociada al cambio del momento dipolar eléctrico de los materiales polares por unidad de volumen, bajo variaciones de calor temporal. Así, estos materiales generan un voltaje temporal, cuando se les expone a ciclos de calentamiento y enfriamiento.
GENERATION OF PYROELECTRIC M13 BACTERIOPHAGES
Los fagos M13 no pueden percibir directamente el calor. Sin embargo, los estímulos térmicos sí pueden inducir cambios estructurales en las partículas M13. Mediante ingeniería genética se modificaron las proteínas de cubierta pIII y pVIII del fago M13, para producir estructuras nanométricas verticales con polarización unidireccional. Junto con los fagos de tipo salvaje, esos fagos modificados se alineaban verticalmente en una monocapa sobre un sustrato de oro.
En la proteína menor de cubierta pIII, uno de los sitios mayormente utilizados en la técnica de ‘visualización de polipéptidos en fagos’, fue modificado con 6 moléculas del aminoácido histidina (H). La proteína mayor de cubierta pVIII, fue alterada ajustando la carga negativa de la misma, mediante la adición de varias moléculas del aminoácido glutamato (E) en la superficie de la proteína, lo que a su vez permitió ajustar con precisión el potencial piroeléctrico dependiente de la estructura del fago. Como resultado, el calor (ya sea por fuego o mediante láser) podría desnaturalizar el recubrimiento proteico del fago, y generar un potencial eléctrico debido al desequilibrio de cargas en las proteínas de cubierta del fago. Aunque el coeficiente piroeléctrico máximo detectado era muy pequeño ((0.13 mC/m2/°C), los científicos pretenden ampliarlo aprovechando la propiedad autorreplicante del fago.
Los autores, además, modificaron genéticamente las partículas fágicas con otras moléculas, e investigaron su potencial como detector de varios disolventes orgánicos, a saber, metanol, etanol, octanol, benceno, tolueno, xileno, hexano, acetona y éter dietílico. Así, cuando se modificaban con péptidos ajustados para cada uno de estos solventes específicos, las partículas fágicas eran capaces de generar una respuesta piroeléctrica en función de la concentración y tipo de la especie química.
Este trabajo no sólo ha revelado los mecanismos moleculares subyacentes a la generación de electricidad por varias biomoléculas, sino que también abren un nuevo camino en el desarrollo de nuevos biomateriales con aplicaciones en los campos de producción de energía, biosensores, medicina, productos farmacéuticos, y avances medioambientales.
§Sabías qué?
Los virus también se clasifican, pero no con el sistema binomial Lineano. Hay dos sistemas de clasificación principales, de Baltimore y el del ICTV (el Comité internacional de taxonomía de virus), dependiendo de si se clasifican por el tipo de molécula de ácido nucleico que poseen (ARN o ADN), morfología (forma, tipo de cubierta, etc) o por el mecanismo con el que generan el RNA mensajero de su genoma (Baltimore). Muchos retienen como nombre las siglas, generalmente en inglés, de la enfermedad que producen o del hospedador al que atacan. Como, por ejemplo, RSV (virus respiratorio sincitial) o TMV (virus del mosaico del tabaco). Mientras que en unas pocas ocasiones mantienen una palabra en español, como en el caso del virus de la Tristeza de los cítricos o CTV.
Enlace al post original: H. Kim, K. Ontado, I. Chae, B. Lim, S. Ji, Y. Kwon, and S-W. Lee, Virus-based pyroelectricity, Advanced Materials, 35(46), e2305503, November 2023.
Fuentes adicionales:
1. R. Wang, H-D. Li, Y. Cao, Z-Y. Wang, T. Yang, and J-H. Wang, M13 phage: A versatile building block for a highly specific analysis platform, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 415(18), 3927-3944, July 2023. DOI: 10.1007/s00216-023-04606-w.
2. D. Stopar, R.B. Spruijt, Cor J.A.M. Wolfs, and M.A. Hemminga, Protein-lipid interactions of bacteriophage M13 major coat protein, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes, 1611(1-2), 5-15, April 2003. DOI: 10.1016/S0005-2736(03)00047-6.
Imagen destacada: Creada por el autor usando Canva
Traducido por: Beatriz Sabater-Munoz (CSIC)
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