Un equipo de investigación internacional liderado por el Instituto de Investigaciones Químicas, centro mixto del CSIC y la Universidad de Sevilla, ha diseñado nanopartículas metálicas que eliminan la bacteria Staphylococcus aureus, asociada a infecciones hospitalarias y que cada vez presenta más resistencia a los antibióticos. En este proyecto han colaborado también la Universidade Nova de Lisboa en Portugal, la Universidad de Toulouse en Francia, el Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology en Alemania y la Universidad Autónoma de Barcelona.
Las estructuras han sido probadas en laboratorio y abren vías para el diseño de estrategias antimicrobianas más allá de las tradicionales. Los expertos proponen el diseño de agentes antimicrobianos biomiméticos, que están inspirados en sistemas naturales y combinan nanomateriales con biomoléculas orgánicas; esto es, una molécula propia de los seres vivos, como las que forman el ADN o las proteínas. En el futuro, este enfoque podría emplearse para el desarrollo de nuevos sistemas con actividad antifúngica, anticancerígena o antimicrobiana.
La novedad del trabajo reside en la combinación de dos componentes que por separado no tienen actividad antibacteriana. Por un lado, nanopartículas muy pequeñas de rutenio, un metal utilizado en química y catálisis, es decir, para acelerar reacciones químicas. Por otro, una molécula orgánica derivada del uracilo, uno de los componentes que forman parte del material genético de los seres vivos. Cuando ambos se integran en una única estructura nanométrica, actúan de forma conjunta y adquieren capacidad para eliminar bacterias.
Tal y como explica el equipo investigador en el artículo ‘Ru Nanoparticles Ligated by an N-Heterocyclic Carbene Derived from Uracil Nucleoside as Selective Antimicrobial Agents’, publicado en la revista Inorganic Chemistry, esta combinación genera un efecto sinérgico; es decir, que el metal y la molécula orgánica actúan cooperativamente. «Nuestro objetivo era diseñar un agente antimicrobiano que fuese activo frente a bacterias problemáticas, pero al mismo tiempo selectivo y con baja toxicidad», explica a la Fundación Descubre el investigador del Instituto de Investigaciones Químicas Luis Miguel Martínez.
En un solo paso
Para generar estas nanopartículas, los investigadores diseñaron un método sencillo que permite obtenerlas en un solo paso. Para ello combinaron un precursor de rutenio, un compuesto que contiene este material y que sirve como punto de partida para formar las nanopartículas, con una molécula orgánica derivada del uracilo, material obtenido del ADN. Este último actúa como una especie de ‘molde’, estabilizando y controlando el tamaño de la nanopartícula. Como en una receta de cocina, este ingrediente ‘guía’ hace que el metal se agrupe en partículas muy pequeñas y evita que se formen bloques grandes del metal, manteniéndolas separadas.
Además, este sistema permite producirlas de forma más eficiente, a baja temperatura y sin generar residuos innecesarios. Cabe destacar que el proceso se realiza en un mismo reactor, lo que simplifica la formación de las nanopartículas.
Una vez obtenidas, los científicos comprobaron su tamaño y forma con técnicas de microscopía de alta resolución, confirmando que se trataba de partículas muy pequeñas y bien organizadas. «Empleamos un microscopio electrónico muy potente para observar cómo se disponen los átomos en su interior y su estructura cristalina. Este orden interno, similar al de un panal de abejas, hace que las partículas se mantengan unidas y sean eficaces», indica Luis Miguel Martínez.
Además, el equipo realizó cálculos teóricos con herramientas de computación avanzada para confirmar cómo se acopla la molécula orgánica a la superficie de las nanopartículas, un paso que sirve para comprender en profundidad su funcionamiento.
Actividad selectiva
Para evaluar su actividad antimicrobiana, los investigadores compararon distintos materiales de referencia: el derivado del uracilo por separado, un complejo similar de rutenio, nanopartículas sin la biomolécula y otras iguales, pero de mayor tamaño. Los experimentos demostraron que solo las nanopartículas más pequeñas recubiertas con la molécula derivada del uracilo mostraban actividad antibacteriana.
Además, observaron que el efecto era selectivo, dado que las nanopartículas se activaban frente a la bacteria Staphylococcus aureus, pero no mostraban actividad frente a otras bacterias. Esto evidencia su potencial terapéutico dado que, cuando se emplea un agente antimicrobiano, uno de los retos es evitar que afecte indiscriminadamente a distintos microorganismos del cuerpo humano o que favorezca la aparición de resistencias. «Por ello, diseñar compuestos capaces de actuar de forma selectiva es una de las estrategias que se están explorando para desarrollar nuevos tratamientos», añade Martínez.
Nuevas estrategias contra bacterias resistentes
Los siguientes pasos del grupo de investigación consistirán en probar otras combinaciones biomiméticas, biomoléculas orgánicas y nanopartículas metálicas, para desarrollar nuevos materiales con aplicaciones biomédicas, como combatir infecciones difíciles de tratar.
Este trabajo ha sido financiado por la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación y con fondos propios del Instituto de Investigaciones Químicas.