ES2347251T3 - Suspension para la generacion de una corriente de electrones y el uso y la preparacion de la misma. - Google Patents
Suspension para la generacion de una corriente de electrones y el uso y la preparacion de la misma. Download PDFInfo
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Abstract
Suspensión que se puede usar para generar una corriente de electrones, suspensión que comprende una pluralidad de partículas huecas en contacto eléctricamente conductor, dichas partículas huecas comprenden un substrato permeable y cubierta externa eléctricamente conductora y atrapada en la misma una enzima catalizadora de reacción redox que cataliza una conversión enzimática de dicho substrato en dichas partículas huecas liberando de ese modo electrones.
Description
Suspensión para la generación de una corriente
de electrones y el uso y la preparación de la misma.
La presente invención se refiere a una
suspensión que se puede usar para generar una corriente de
electrones, el uso de la suspensión para la producción de una
batería o más específicamente de una nanobateria para el uso junto
con un microchip. La presente invención se refiere además a una
batería que usa la suspensión, una pila de combustible que
comprende: un compartimento anódico que incluye un ánodo, un
compartimento catódico que incluye un cátodo y dispuesta dentro de
dicho compartimento anódico, dentro de dicho compartimento catódico
o entre dicho compartimento anódico y dicho compartimento catódico,
la suspensión, un dispositivo para la detección de un soluto que
usa la suspensión, más específicamente un dispositivo para la
detección de glucosa, un método de producción de energía eléctrica
que comprende el uso de la suspensión y un método para preparar la
suspensión.
Los sistemas conocidos para generar energía usan
enzimas que están embutidas en una membrana biocompatible, enzimas
que pueden generar electrones que se pueden utilizar para la
generación de energía eléctrica (patente internacional WO
03050896). La membrana requerida para dicha propuesta debe ser
biocompatible para asegurar la actividad de las proteínas de
membrana. La membrana no puede ser permeable para muchos solutos
debido a que las enzimas no son activas en esta situación. Los
requerimientos anteriores limitan la elección de las membranas y
vesículas y sólo se pueden usar proteínas de membrana en este
sistema.
La presente invención se refiere a una
suspensión que se puede usar para generar una corriente de
electrones, suspensión que comprende un polipéptido, caracterizada
por que el polipéptido está atrapado en una partícula hueca. Debido
a que el polipéptido está atrapado y no embutido en la cubierta de
la partícula hueca, la partícula hueca podía tener una cubierta con
propiedades únicas, tales como permeabilidad selectiva, robustez y
conductividad. El polipéptido puede ser cualquier polipéptido que
sea activo en una disolución acuosa. La suspensión contiene
preferiblemente más partículas huecas, en que preferiblemente se
atrapa más de un polipéptido. Preferiblemente, la densidad de las
partículas huecas en la suspensión es tal que la mayoría de las
partículas huecas está en contacto directo entre sí para una
generación más eficaz de corriente de electrones. La partícula hueca
soporta al polipéptido en una cierta distribución dentro de la
suspensión así que la actividad del polipéptido también esté bien
distribuida y permanezca bien distribuida. Preferiblemente, la
partícula hueca no es permeable al polipéptido. En un aspecto
preferido, la invención se refiere a una partícula hueca que es una
vesícula. Una vesícula es una partícula hueca particular que consta
de moléculas anfifílicas que forman la cubierta externa. Se pueden
preparar vesículas que atrapen un polipéptido por adición de las
moléculas al polipéptido. En otro aspecto de la presente invención
la partícula hueca es una polimersoma. Una polimersoma es una
vesícula que está construida de bloques de construcción anfifílica
poliméricos y puede tener propiedades únicas tales como rigidez y
la capacidad para conducir electrones. En otro aspecto de la
presente invención la cubierta de la partícula hueca es conductora.
Debido a la conductividad, los electrones generados dentro de la
esfera hueca son transportados por las cubiertas externas
conductoras de las partículas huecas y pueden ser transportados al
ánodo. Preferiblemente, no hay acumulación de electrones en el
interior de las partículas huecas y el transporte de electrones
transcurre por la cubierta externa. En otro aspecto de la presente
invención, la partícula hueca consta de polímero conductor. Los
tipos específicos de polímeros pueden conducir electrones fácilmente
y se sintetizan fácilmente. En otro aspecto de la presente
invención, la partícula hueca consta de un copolímero de bloque.
Este polímero forma fácilmente vesículas y forma una cubierta
externa conductora. En otro aspecto de la presente invención, la
partícula hueca consta de un grupo de cabeza de poliisocianida
helicoidal rígido y una cola de poliestireno flexible,
preferiblemente
poliestireno-b-poli(L-isocianoalanina(2-tiofeno-3-il-etil)amida)
(PS-PIAT). La PS-PIAT puede formar
polimersomas muy estables y bien definidas en agua (Figura 3). Las
vesículas, que se forman en la dispersión de las macromoléculas
descritas anteriormente en una disolución acuosa, son muy robustas,
pero aún permeables para un substrato como glucosa. Esta
macromolécula anfifílica es un tipo rod-coil
de copolímero de bloque. El espesor de la membrana de 30 \pm 10 nm
se determinó por micrografía de barrido electrónico (SEM, por sus
siglas en inglés). En otro aspecto de la presente invención, se
polimerizan los grupos laterales de tiofeno presentes en la cadena
lateral de la PS-PIAT, proporcionando de ese modo
las vesículas con una cubierta externa e interna de polímero más
conductor. Esto se puede realizar electroquímicamente o por
oxidación química. Esta polimerización da como resultado la
reticulación de la membrana de polimersoma. Los estudios han
demostrado que las propiedades conductoras de electrones de las
polimersomas PS-PIAT mejoran después de la
reticulación. Ya se ha demostrado que se puede incorporar con éxito
una variedad de enzimas dentro del compartimento interno acuoso de
las vesículas compuestas por PS-PIAT y que después
de polimerización de las cubiertas de las vesículas ya no filtran
más las enzimas y se protegen de la degradación de las proteasas.
Los experimentos de catálisis con otras enzimas han confirmado que
la actividad enzimática de las especies incluidas es retenida
debido a la protección del polipéptido de las proteasas por la
membrana de la vesícula.
En otro aspecto más de la presente invención el
polipéptido puede participar en una reacción química o puede
participar en la formación de una estructura molecular que facilite
dicha reacción. La reacción química puede dar como resultado la
liberación de electrones que se pueden transportar por la cubierta
de la partícula hueca, preferiblemente por la cubierta exterior
conductora de las vesículas. Dicho polipéptido podía ser
potencialmente un polipéptido modificado genéticamente que fuera
muy estable durante mucho tiempo. El polipéptido se podía reticular
a la cara interna de la vesícula por ejemplo por una cola lipófila
unida a la enzima. El polipéptido es preferiblemente una enzima y
en una realización preferida de la presente invención la partícula
hueca es permeable a un substrato de la enzima. Hay muchas enzimas
conocidas que catalizan una reacción química que liberan uno o
varios electrones. Esas enzimas se pueden usar en una suspensión
según la presente invención. La reacción química es preferiblemente
una reacción redox. Con la reacción redox se liberan electrones y se
pueden difundir a la cubierta de la partícula hueca y se pueden
transportar por las cubiertas en una dirección específica. Más
preferido es que la reacción química sea una oxidación. Muchas
enzimas en la naturaleza catalizan una reacción de oxidación y los
substratos para esas enzimas son moléculas que están fácilmente
disponibles y son relativamente baratas. En una realización
preferida el polipéptido es una glucosa oxidasa. En esta realización
la reacción química es la conversión de
\beta-D-glucosa en
D-glucono-1,5-lactona.
Durante esta reacción se liberan dos electrones, véase a
continuación.
Los electrones que se liberan pueden ser
aceptados fácilmente por la cubierta conductora de las partículas
huecas, que también sirven como electrodos orgánicos. La glucosa
oxidasa es relativamente estable y es una enzima conocida. En otro
aspecto preferido, la invención se refiere a una suspensión en la
que la partícula hueca está embutida en una estructura similar a un
gel. En una estructura similar a un gel las partículas huecas se
difunden lentamente y el substrato se difunde lentamente.
Preferiblemente, la partícula hueca está embutida en una disolución
de glucosa. La glucosa es un buen substrato para glucosa oxidasa y
no es cara. Por lo que se refiere a la invención la glucosa es el
combustible del que se producirán electrones y está fácilmente
disponible y es relativamente barata. La combinación glucosa/glucosa
oxidasa es una buena combinación y con frecuencia una combinación
usada de enzima/substrato. La glucosa es estable además y se puede
obtener en una forma muy pura. Los electrones pueden encontrar su
camino por la cubierta o cubiertas externas conductoras de las
partículas huecas, con la condición que la mayoría de las partículas
huecas hagan contacto entre sí (Figura 2). Si esta comunicación
electrónica es menos eficaz, una realización preferida de la
invención comprende una matriz para contactar al menos una
partícula hueca para realizar el transporte de electrones, por
ejemplo un polímero conductor (por ejemplo, un politiofeno) que se
pone en contacto con las vesículas (Figura 2). En otro aspecto de
la presente invención la matriz puede reticular al menos una
partícula hueca a otra partícula hueca. La matriz puede por ejemplo
estar embutida parcialmente en la cubierta de algunas de las
partículas huecas. La suspensión contiene en una realización
preferida portadores electrónicos conocidos tales como derivados de
ferroceno y derivados de viológeno para facilitar el transporte de
electrones.
La presente invención también se refiere al uso
de la suspensión descrita anteriormente para la producción de una
batería. Preferiblemente, la suspensión descrita anteriormente se
usa para la producción de una nanobatería para uso junto con un
microchip.
La presente invención se refiere además a una
batería que usa la suspensión descrita anteriormente. Dicha batería
puede usar combustible relativamente barato, como glucosa y puede
suministrar una corriente constante. Puesto que se puede elegir que
los componentes de dicha batería no sean tóxicos es más económico
para uso, por ejemplo, en un marcapasos en seres humanos. Los
compuestos tóxicos no conocidos (excepto los derivados de
viológeno) se incluyen de manera que no haya implicado riesgo de
toxicidad. además dicha batería no es perjudicial para el medio
ambiente.
La presente invención se refiere además a una
pila de combustible que comprende: un compartimento anódico que
incluye un ánodo; un compartimento catódico que incluye un cátodo y
dispuesta entre dicho compartimento anódico, dentro de dicho
compartimento catódico o entre dicho compartimento anódico y dicho
compartimento catódico, la suspensión descrita anteriormente. Los
electrones pueden encontrar su camino en la dirección del ánodo por
la cubierta externa conductora de la partícula o partículas huecas.
Véase la figura 1.
La presente invención también se refiere a un
dispositivo para la detección de un soluto usando la suspensión
descrita anteriormente. La suspensión comprende preferiblemente una
enzima que puede convertir químicamente el soluto. Preferiblemente
se liberan electrones con esta conversión. Una realización
especifica de la presente invención con respecto a esto se refiere
a un sensor de glucosa que usa la suspensión descrita anteriormente.
Preferiblemente, el polipéptido en esta realización es una glucosa
oxidasa. Cuando se detecta glucosa la glucosa oxidasa usa la
glucosa como substrato y se liberan electrones. Los electrones se
mueven por las cubiertas externas de las partículas huecas a un
ánodo y se puede detectar una corriente de electrones. En otro
aspecto la presente invención se refiere a un método para producir
energía eléctrica que comprende el uso de la suspensión descrita
anteriormente. Debido a la fuente natural de energía, esta clase de
energía eléctrica no es perjudicial para el medio ambiente. La
energía eléctrica se puede usar por ejemplo para coches. La presente
invención se refiere además al proceso para preparar la suspensión
descrita anteriormente, que comprende las etapas de: (a) preparar
una disolución acuosa de
bis(2,2'-bipiridin)rutenio(II)bis(pirazolilo);
(b) inyectar una disolución que contiene
poliestireno-b-poli(L-isocianoalanina(2-tiofeno-3-il-etil)amida)
en THF en la disolución preparada en la etapa (a). Véase el ejemplo
1 para más detalles. Preferiblemente, el proceso comprende además:
(c) poner la dispersión preparada en la etapa (b) a 60ºC; (d) dejar
enfriar la dispersión a temperatura ambiente y (e) filtrar la
dispersión de la etapa (d) usando un filtro con un límite de 100
kDa. Véase el ejemplo 1 para más detalles.
La Figura 1 muestra una imagen esquemática de
una batería diseñada. Las placas son representaciones de electrodos
de los que la parte superior es el cátodo y la placa inferior es el
ánodo. Las partículas huecas se representan como círculos uno de
cuales se amplía a la derecha de la imagen. Las flechas grandes
indican el flujo de respectivamente glucosa (flecha izquierda) y
gluconolactona (flecha derecha), que es respectivamente el substrato
y el producto de la enzima glucosa oxidasa que se indica como
círculos atrapados en la partícula hueca. La cubierta de la
partícula se muestra como cubierta compuesta por moléculas
anfifílicas. La flecha pequeña indica el flujo de electrones.
La figura 2 es una representación esquemática de
dos diferentes formas de rutas de transporte de electrones. (a) Las
partículas huecas se ponen en contacto entre sí y crean una ruta
electrónica por sus cubiertas externas conductoras. (b) Las
vesículas están atrapadas en una matriz de un polímero conductor que
transporta los electrones.
Figura 3. Izquierda: fórmula estructural de
PS-PIAT, medio: micrografía de barrido electrónico
de las polimersomas PS-PIAT formadas en una
disolución acuosa, derecha: representación esquemática de una
polimersoma, que indica el espesor de membrana de 30 nm.
Figura 4. Micrografía TEM de los agregados
formados por la compartimentalización de GOx dentro de polimersomas
PS-PIAT.
Figura 5. Estructura química del copolímero de
bloque de poliestireno y poliisocianopéptido con funciones tiofeno
y se forman las vesículas de tamaño de micrómetro en la dispersión
de la macromolécula en agua.
La encapsulación de las enzimas GOx se realizó
preparando una disolución de 48 mg.l^{-1} de GOx disueltas en
tampón de fosfato (20 mM, pH 7,0). A esta disolución se inyecta una
disolución de 1,0 mg.ml^{-1} de PS-PIAT en THF,
resultando una relación final de tampón a THF de 6:1 (v/v). Se
retiró la enzima libre por cromatografía de exclusión por tamaño
usando Sephadex G-50 y un tampón de fosfato acuoso
(pH 7,5) como eluyente. Las micrografías TEM de los agregados
resultantes se muestran en la Figura 4.
La reticulación de la membrana de polimersoma
PS-PIAT se hizo preparando una disolución acuosa de
0,20 ml de CAL B de 30 mg.l^{-1} y 1,0 ml de BRP 1,3 \muM en
que se inyectaron 0,10 ml de una disolución que contenía 0,50
g.l^{-1} de PS-PIAT en THF, dando como resultado
una relación final de agua/THF de 12:1 (v/v). Se eligió una
concentración de BRP que era comparable con la cantidad de grupos
tiofeno presentes (2x10^{-7} M). Con posterioridad, se puso la
dispersión en un baño de agua de 60ºC durante el periodo de tiempo
deseado. Después de dejar enfriar a temperatura ambiente se
transfirieron 0,50 ml de la dispersión a un eppendorf con una unidad
de filtro con un límite de 100 kDa. Se centrifugó la dispersión a
sequedad después de lo cual se añadieron 0,50 ml de agua pura y se
centrifugó la dispersión de nuevo a sequedad. Después de repetir
esta etapa una segunda vez, se añadieron 0,50 ml de agua para
volver a dispersar los agregados reticulados. Véase también la
figura 5.
Se carga una cámara de reacción limitada de
aproximadamente 1-2 cm^{3} con una dispersión a
base de agua de las vesículas que contienen Glucosa Oxidasa. La
glucosa "combustible" se puede disolver en esta dispersión
hasta concentraciones relativamente altas. En la parte superior y en
el fondo de la cámara de reacción están unidos dos electrodos
(construidos por ejemplo de Óxido de Indio y Estaño (ITO, por sus
siglas en inglés)). En la aplicación de un voltaje, los electrones
generados en la batería se pueden transportar a un condensador
externo del que se puede liberar una corriente constante al
dispositivo que se tiene que soportar.
Para la nanobatería deseada se requiere una
corriente eléctrica media de aproximadamente 200 mA, que
significa que se requieren 1,25 x 10^{18} electrones por segundo.
Los siguientes cálculos se han hecho suponiendo una realización
máxima de una celda de 1 cm^{3}. La corriente eléctrica requerida
corresponde a 6,25x10^{17} reacciones enzimáticos por segundo.
Considerando el número de recambio indicado de Glucosa Oxidasa
(22.800/s), esto significa que se requieren 2,7x10^{13} enzimas
(correspondiendo a aproximadamente 4 microgramos). Simultáneamente,
se convierten 2,7 x 10^{13} moléculas de glucosa por segundo
(correspondiendo a aproximadamente 8 nanogramos). Suponiendo que
están incluidas aproximadamente 5.000 enzimas de Glucosa Oxidasa en
una vesícula (un supuesto basado en otros sistemas
vesícula-enzima), se requieren 5,4 x 10^{9}
vesículas, que tienen un diámetro medio de 1 micrómetro. Si se
carga un compartimento de 1 cm^{3} con una disolución o gel que
contiene 20% en volumen de vesículas, esto significa que están
presentes 2x10^{13} vesículas, un exceso de 3.700 veces de la
cantidad requerida. Esto significa que la realización máxima de tal
sistema da como resultado la generación de una corriente eléctrica
de 740 A. A la corriente de operación media de 200 mA y suponiendo
una cantidad de glucosa "combustible" de 250 mg por cm^{3},
la batería puede operar de manera continua durante un periodo de
aproximadamente 8.700 horas (1 año). En este punto el factor
limitante de la realización es la cantidad de glucosa presente y la
acumulación de subproductos glucosalactona y protones. El sistema
estará sometido, sin embargo, a otros factores que puedan afectar a
su realización. Se puede pensar sobre la degradación enzimática, en
particular cuando el sistema está operando durante un tiempo más
prolongado. Además, un factor importante que determina la
realización será la eficacia de transporte de electrones desde la
batería al ánodo. Varios de los parámetros de la batería se pueden
variar fácilmente sin embargo (por ejemplo, las cantidades de
vesículas o glucosa, la naturaleza de la matriz).
Claims (17)
1. Suspensión que se puede usar para generar una
corriente de electrones, suspensión que comprende una pluralidad de
partículas huecas en contacto eléctricamente conductor, dichas
partículas huecas comprenden un substrato permeable y cubierta
externa eléctricamente conductora y atrapada en la misma una enzima
catalizadora de reacción redox que cataliza una conversión
enzimática de dicho substrato en dichas partículas huecas liberando
de ese modo electrones.
2. Suspensión según la reivindicación 1, en la
que el substrato permeable y la cubierta externa eléctricamente
conductora consta de un polímero.
3. Suspensión según la reivindicación 2, en la
que el polímero es un copolímero de bloque.
4. Suspensión según la reivindicación 3, en la
que el copolímero de bloque comprende un bloque de poliestireno
hidrófobo y un poliisocianopéptido hidrófilo.
5. Suspensión según la reivindicación 3 o la
reivindicación 4, en la que el copolímero de bloque comprende
poliestireno-b-poli(L-isocianoalanina
(2-tiofeno-3-il-etil)amida)
(PS-PIAT).
6. Suspensión según la reivindicación 5, en la
que se polimerizan los grupos laterales presentes en el copolímero
de bloque.
7. Suspensión según la reivindicación 6, en la
que se polimerizan los grupos laterales de tiofeno presentes en la
cadena lateral de
poliestireno-b-poli
(L-isocianoalanina
(2-tiofeno-3-il-etil)amida).
8. Suspensión según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en la que el polipéptido está unido al lado
interno de la partícula hueca.
9. Suspensión según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en la que la enzima es glucosa oxidasa y el
substrato es glucosa.
10. Suspensión según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en la que las partículas huecas están
embutidas en una matriz eléctricamente conductora.
11. Suspensión según la reivindicación 10, en la
que la matriz eléctricamente conductora comprende derivados de
ferroceno y/o derivados de viológeno.
12. Uso de una suspensión según cualquiera de
las reivindicaciones 1-11 para la producción de una
batería.
13. Pila de combustible que comprende: un
compartimento anódico que incluye un ánodo; un compartimento
catódico que incluye un cátodo y dispuesta dentro de dicho
compartimento anódico, dentro de dicho compartimento catódico o
entre dicho compartimento anódico y dicho compartimento catódico, la
suspensión según cualquiera de las reivindicaciones
1-11.
14. Dispositivo para la detección de un
substrato usando una suspensión según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11.
15. Método para producir energía eléctrica, que
comprende el uso de la suspensión según cualquiera de las
reivindicaciones 1-11.
16. Método para preparar una suspensión según
cualquiera de las reivindicaciones 1-11, que
comprende las etapas de:
- (a)
- preparar una disolución acuosa de bis(2,2'-bipiridin)rutenio (II) bis(pirazolilo);
- (b)
- inyectar una disolución que contiene poliestireno-b-poli(L-isocianoalanina (2-tiofeno-3-il-etil)amida) en THF en la disolución preparada en la etapa (a).
17. Método según la reivindicación 16, que
comprende además:
- (c)
- poner la dispersión preparada en la etapa (b) a 60ºC;
- (d)
- dejar enfriar la dispersión a temperatura ambiente y
- (e)
- filtrar la dispersión de la etapa (d) usando un filtro con un límite de 100 kDa.
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