Strategies for expanding the functionalization of bacterial polyesters

Resumen

Los polihidroxialcanoatos (PHA) constituyen el material de almacenamiento de carbono y energía de ciertas especies bacterianas. Las propiedades de estos polímeros los convierten en una alternativa interesante a los plásticos de origen petroquímico, ya que son materiales no tóxicos, biocompatibles y biodegradables. La capacidad de incorporar nuevas funcionalidades a los PHA les confiere una gran versatilidad. La compleja estructura del gránulo de PHA se puede explotar para exponer en su superficie moléculas que lleven a cabo funciones específicas. Diversas proteínas asociadas a los gránulos (GAPs) han sido empleadas como tags de afinidad obteniendo partículas de PHA funcionalizadas para su uso en aplicaciones como diagnóstico o transporte dirigido. Además, la capacidad de editar y redirigir el sistema celular a través de herramientas de ingeniería genética y metabólica permite la construcción de plataformas orientadas a producir una amplia gama de polímeros con proporciones monoméricas variables y, por tanto, propiedades térmicas y mecánicas diferentes. Este enfoque se puede añadir a la posibilidad de incorporar grupos funcionales en las cadenas laterales de los monómeros. La presente Tesis trata de explorar y optimizar las herramientas descritas para la funcionalización de materiales de PHA siguiendo estrategias in vivo e in vitro y expandir la aplicabilidad de estos polímeros. Los dos primeros capítulos exploran aspectos estructurales de la unión de la fasina PhaF de Pseudomonas putida KT2440 a diferentes soportes hidrofóbicos. A través del uso de la balanza de Langmuir se demostró la actividad surfactante de la fasina PhaF y su dominio N-terminal, BioF, en diferentes interfases hidrofóbico-polares. Estos resultados incrementan el potencial para aplicar fasinas en combinación con otros materiales hidrofóbicos o como biosurfactantes. Por otra parte, los modelos estructurales de proteínas constituyen una buena herramienta para predecir la hidrofobicidad y el momento hidrofóbico de una proteína anfipática, lo que permitió el diseño de varias estructuras basadas en el módulo BioF que conservaron su afinidad por el gránulo de PHA. Sobre la base de una de estas estructuras se diseñó un nuevo tag de afinidad que mostró ser eficaz para la funcionalización de gránulos de PHA. Asimismo, esta Tesis explora el potencial de aplicar nanopartículas de PHA en el transporte de fármacos a pulmón. Para ello, se analizaron los efectos de partículas de PHA desnudas en las propiedades biofísicas del surfactante pulmonar. Diversas técnicas permitieron demostrar efectos insignificantes en la capacidad de adsorción y propagación del surfactante pulmonar en combinación con nanopartículas. Se ha explorado también la posibilidad de incorporar proteínas del surfactante pulmonar en la superficie de partículas o gránulos de PHA. La producción de gránulos de PHA y de formas recombinantes de la proteína del surfactante pulmonar SP-B al mismo tiempo dio como resultado la funcionalización de las nanopartículas de PHA para su uso potencial en terapia pulmonar. En la última sección de la Tesis, se ha estudiado la versatilidad estructural de los PHA para obtener nuevas propiedades y funcionalidades. Utilizando varios mutantes en la ß-oxidación se obtuvieron polímeros con contenidos monoméricos y propiedades térmicas diferentes. Algunos de estos polímeros presentaron un incremento de dobles enlaces, lo que permite su modificación química posterior. Como prueba de concepto, se unió covalentemente un grupo fluorescente a un polímero con dobles enlaces y se pudieron generar nanopartículas fluorescentes. El enfoque multidisciplinar aplicado en esta Tesis se muestra como una estrategia apropiada para expandir la utilización de la red de proteínas que cubre el gránulo de PHA y la versatilidad estructural de la familia de PHA. Los resultados obtenidos abren aplicaciones potenciales en varios campos que será interesante explorar en el futuro