Investigadores de les universitats de València i Cambridge han proposat la zeïna, un material natural obtingut de la dacsa, com a alternativa a derivats del petroli per al disseny de dispositius de monitorització, biokits i biosensors. El treball, publicat en la revista científica ‘Biosensors and Bioelectronics’, té aplicacions directes en els camps mediambiental i en ciències de la salut.
14 de de juliol de 2016
La proposta, amb l’horitzó en la reducció de l’ús de materials plàstics, implica la creació de dispositius biodegradables i ecològics basats en la química verda. A més, permet anàlisis in situ, de forma fàcil i ràpida i en la majoria de casos sense la necessitat de fonts d’energia externa, és a dir, amb un consum energètic nul. “Els materials biodegradables han de ser en un futur pròxim els substituts definitius dels plàstics actuals”, ha destacat Neus Martínez Jornet, una de les autores de l’article i investigadora en el Departament de Química Analítica de la Universitat de València.
Els biosensors són dispositius que incorporen material de naturalesa biològica (enzims, microorganismes, anticossos, proteïnes, etc.) integrants en suports normalment no biodegradables i utilitzats per mesurar paràmetres biològics o químics. Entre els més comuns hi ha nivells de glucosa i colesterol en sang o de nitrats, fosfats i amoni en aigües.
Gran part d’aquests dispositius estan constituïts per materials no degradables, en un context on cada vegada són més utilitzats. Una vegada queden obsolets, generen una gran quantitat de residus que han de ser convenientment tractats. Per contra, la zeïna, proteïna de la dacsa, és altament biodegradable i no requereix cap tractament de reciclatge, com sostenen des de l’equip investigador de les universitats de València i Cambridge.
La zeïna, a més, posseeix unes característiques ideals per a la immobilització de diferents compostos o molècules, així com d’enzims, que fa que conserve les propietats d’aquests, i és capaç de alliberar-los en el moment del mostreig. En la recerca, a més de la zeïna, s’ha incorporat glicerol, un producte natural, biodegradable i no tòxic, utilitzat, entre altres en les indústries farmacèutica i alimentària, que actua com a plastificant i millora la flexibilitat dels materials sobre els quals actua.
A partir d’aquest material biodegradable s’han obtingut diferents tipus de dispositius òptics o biokits (conjunt dels biosensors i les dissolució tampó necessàries per a l’assaig) amb aplicacions en diferents àrees, a diferència d’altres dispositius que si bé detecten fosfats, no ho fan en les concentracions adequades, no són prou robustos, selectius, fàcils d’utilitzar, ni tampoc ecològics ni barats.
Entre les aplicacions que es deriven de la investigació i de l’article publicat, Neus Jornet destaca “les aplicacions de disseny de biosensors per l’anàlisi in situ de fosfat en aigües o per estimar la presencia de pesticides organofosforats, concretament el clorpirifós en productes comercials i preparats, o en aplicacions forenses”. La revista Biosensors and Bioelectronics, on s’ha publicat la investigació, té un factor d’impacte 7.476.
Detecció de fosfats en les aigües
Així, un dels biokits detecta l’excés de fosfats en les aigües, un fet que provoca la deficiència d’oxigen i afecta directament sobre la qualitat de l’aigua. Per fer front a aquesta situació, s’ha desenvolupat un dispositiu capaç de detectar fosfats inorgànics en les concentracions adequades i s’ha provat en aigües de riu, de costa, de llac i en l’aigua de l’aixeta a la Comunitat Valenciana. En cap cas s’han trobat concentracions per damunt de les que hi ha establertes com a perjudicials segons la legislació.
Un dels altres biokits desenvolupats s’ha utilitzat per a la detecció de clorpirifós en preparats comercials utilitzats com a pesticides en l’agricultura. El clorpirifós és un dels pesticides més utilitzats als Estats Units, tot i que és considerat per l’EPA (Agència de Protecció Ambiental) com una substància de categoria II: moderadament tòxica. A la Mediterrània també s’ha utilitzat i s’utilitza aquest pesticida, ja que és un dels tractaments més eficaços contra el Rhynchophorus ferrugineus, conegut com a morrut roig.
Aplicacions en salut
També s’ha dissenyat un biokit amb aplicacions en el camp de la salut, concretament per a la detecció d’alcalina fosfatasa en saliva. La alcalina fosfatasa és un enzim directament relacionat amb el creixement del teixit ossi. Nivells alts d’alcalina fosfatasa en saliva és indicatiu de la destrucció del teixit periodontal (teixit que envolta la dent: genives, os i lligaments), com és el cas del creixement natural de les dents en xiquets menuts, i també de malalties periodontals en adults.
Mostres de saliva d’adults sans i xiquets menors de 4 anys demostren que els nivells més alts s’han trobat en xiquets. “Nosaltres creiem que podria ser aplicat en ciències forenses per saber si les mostres de saliva trobades provenen d’adults o xiquets”, destaca Neus Jornet. Una altra aplicació que es proposa és la determinació d’alcalina fosfatasa en sang com a indicatiu de malalties òssies.
Derivats del biodièsel i el bioetanol
“També, la utilització de la zeïna i el glicerol en el disseny dels biosensors i biokits pot potenciar sectors com ara els derivats de la fabricació del biodièsel i el bioetanol. A més, la zeïna i glicerol es poden obtenir com a productes secundaris en l’obtenció de biodièsel i bioetanol, respectivament, cosa que comporta un valor afegit per a aquest tipus d’indústria en creixement”, completa Neus Jornet
Aquest projecte ha estat subvencionat per la Generalitat Valenciana, dins del Programa PROMETEO per a grups d’investigació d’excel·lència 2012/2045, concedit al Grup de Miniaturització i Mètodes d’Anàlisi Totals (MINTOTA) del Departament de Química Analítica de la Facultat de Química de la Universitat de València. El grup està dirigit per Pilar Campins Falcó.
Projecte d’investigació
Aquesta investigació s’emmarca en el projecte d’investigació Desenvolupament de noves estratègies per al disseny de dispositius d’anàlisi in situ, que busca nous dispositius de monitorització o sensors que s’adapten a les necessitats actuals de la societat, de baix cost, reduït o nul consum energètic, versatilitat de l’emplaçament, ús puntual i avaluació de grans àrees amb resolució espacial.
El projecte s’ha realitzat en col·laboració entre el Departament d’Enginyeria Química i Biotecnologia de la Universitat de València i el Grup d’Investigació de Biotecnologia Analítica dirigit per Elizabeth Hall a la Universitat de Cambridge, a través de l’estada predoctoral de la investigadora Neus Martínez Jornet, finançada per la Generalitat Valenciana. La investigació d’Elizabeth Hall està enfocada a entendre com interactua la biologia amb els sistemes elèctrics, mecànics i òptics. El grup posseeix àmplia experiència en el disseny i la utilització de nous materials intel·ligents amb aplicacions en l’àrea del control de la contaminació ambiental i en biomedicina, diagnòstic i tractament mèdic personalitzat.
Article:
N. Jornet-Martínez, P. Campins-Falcó, E.A.H. Hall: «Zein as biodegradable material for effective delivery of alkaline phosphatase and substrates in biokits and biosensors». Journal of Biosensors and Bioelectronics, 2016, vol. 86, p. 14-19
Link: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566316305486
