Impulso a las propiedades ópticas de los nanoclusters de oro diseñados por proteínas

Una colaboración entre IMDEA Nanociencia y CIC biomaGUNE explora el potencial de las proteínas de coordinación en las propiedades de emisión de nanoclústeres de oro

Los  nanoclústeres de oro son grupos de unos pocos átomos (nanocúmulos)  del elemento oro, con interesantes propiedades fotoluminiscentes. Las características de los nanoclústeres de oro dependen no solamente de su estructura, sino también de su tamaño y también de los ligandos coordinados con ellos. Estos nanomateriales inorgánicos se han utilizado en la detección, la biomedicina y la óptica, y su coordinación con las biomoléculas puede dotarles de múltiples capacidades en medios biológicos. Una investigación colaborativa entre los grupos del Dr. Juan Cabanillas en IMDEA Nanociencia y la Dr. Aitziber L. Cortajarena en CIC biomaGUNE ha explorado el uso de proteínas naturales para cultivar nanoclústeres de oro, dando como resultado bionanomateriales híbridos con propiedades fotoluminiscentes sintonizables y con una plétora de potenciales aplicaciones.

Los nanoclústeres -con menos de 2 nm de tamaño- se diferencian de las nanopartículas más grandes (plasmónicas) ya que presentan niveles discretos de energía acoplados ópticamente. Los grupos de aminoácidos (proteínas) establecen vínculos con los átomos de oro y permiten que los grupos se organicen alrededor del nanoclúster de oro, facilitando la estabilización y agregando un nivel adicional de customización (fotoluminiscencia). Estos nanoclústeres tienen interesantes características de recolección de energía. Dado que los niveles de energía discretos están acoplados ópticamente, la absorción de un fotón conduce a la promoción de un electrón a niveles más altos, lo que puede desencadenar un proceso fotofísico o una reacción fotoquímica.

Los resultados de los grupos Cabanillas y Cortajarena, publicados en Advanced Optical Materials y Nano Letters, exploran el origen de la fotoluminiscencia en nanoclústeres de oro diseñados por proteínas y arrojan luz sobre la fuerte influencia del entorno sobre la naturaleza de la luminiscencia. El recubrimiento de los nanoclústeres de oro por dos tipos de aminoácidos distintos (histidina y cisteína) permite cambiar el rango espectral de emisión, de azul a rojo, lo que allana el camino hacia la customización de las propiedades ópticas mediante una apropiada elección del ligando. La naturaleza de la emisión también cambia con el recubrimiento, de la fluorescencia a la fosforescencia, respectivamente. Los efectos sinérgicos proteína-nanoclúster en la emisión aún no están completamente claros, y los grupos de investigación en IMDEA Nanociencia y CIC biomaGUNE están trabajando para elucidar los mecanismos responsables. Existen potenciales aplicaciones para los nanoclústeres mencionados, en estado sólido como medios activos en cavidades láser. Las propiedades de ganancia óptica están todavía por demostrar, lo que podría constituir un camino hacia una nueva generación de interesantes dispositivos láser. Dado que la combinación de oro más proteínas es potencialmente biocompatible, se pueden preveer también una multitud de posibles aplicaciones en biomedicina.

Síntesis de nanoclústeres de oro altamente fotoluminiscentes estabilizados mediante  proteínas. Imagen: Aitziber Cortajarena, Juan Cabanillas

Una trabajo relacionado, publicado en Nano Letters, demuestra que la inserción de triptófanos, aminoácidos muy pequeños con alta densidad de electrones, en las cercanías del nanocúmulo aumenta su eficiencia cuántica de fotoluminiscencia hasta un 40% en algunos casos, valores relevantes para aplicaciones de emisión de luz de estado sólido. Los investigadores también observaron un efecto de antena: los triptófanos pueden absorber la luz de manera discreta y transferir la energía al cúmulo. Este efecto tiene interés para la recolección de energía y también con fines de detección.

Las proteínas mediante el bio-recubrimiento permiten la síntesis de nanoclústeres y mejoran notablemente su eficiencia cuántica. "La eficiencia cuántica se mejora en gran medida cuando se utiliza el bio-recubrimiento", dice el Dr. Cabanillas. Él cree que este trabajo de investigación significa "la apertura de un nuevo campo para el ajuste de las propiedades ópticas de los nanoclusters a través de la ingeniería de proteínas, y queda mucho trabajo por delante para la comprensión del mecanismo de amplificación". La Dra. Cortajarena enfatiza “se ha demostrado ya un gran potencial de los materiales fotoluminiscentes proteína+nanoclúster en los campos biomédicos y tecnológicos, y un completo entendimiento de los mecanismos de emisión es fundamental para las futuras aplicaciones”. Una variedad de aplicaciones adicionales son imaginables, como biosensores, ya que la proteína admite la funcionalización con moléculas de reconocimiento, y en la recolección de energía, imagen médica y terapias fotodinámicas. Queda mucho trabajo por delante de este trabajo pionero en el campo de la investigación fotofísica.

Esta investigación es una colaboración liderada por los grupos de investigación del Dr. Juan Cabanillas y la Dra. Aitziber L. Cortajarena en IMDEA Nanociencia y CIC-biomaGUNE, respectivamente, con la contribución de investigadores en Diamond Light Source Ltd., y DIPC. Ha sido cofinanciada por los proyectos NMAT2D, FULMATEN, AMAPOLA y Atracción de Talento de la Comunidad de Madrid y el premio Centro de Excelencia Severo Ochoa a IMDEA Nanociencia. El CIC biomaGUNE agradece el apoyo de los proyectos ERC-ProNANO, ERC-NIMM, ProTOOLs y el Programa Unidades de Excelencia Maria de Maeztu.


Referencia bibliográfica:

Lopez-Martinez, E., Gianolio, D., Garcia-Orrit, S., Vega-Mayoral, V., Cabanillas-Gonzalez, J., Sanchez-Cano, C., Cortajarena, A. L., Tuning the Optical Properties of Au Nanoclusters by Designed Proteins. Adv. Optical Mater. 2021, 2101332. DOI: 10.1002/adom.202101332

Antonio Aires, Ahmad Sousaraei, Marco Möller, Juan Cabanillas-Gonzalez, and Aitziber L. Cortajarena. Boosting the Photoluminescent Properties of Protein-Stabilized Gold Nanoclusters through Protein Engineering. Nano Letters 2021 21 (21), 9347-9353. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03768

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