4.6: Impronta Molecular

Mosbach, K. TIBS (1994) 19:9-14

El reconocimiento molecular es la base de muchos procesos biológicos. Un énfasis importante en la biotecnología es el desarrollo de moléculas y sistemas de reconocimiento sintéticos que son específicos para un ligando de interés. Una rama del diseño molecular implica la síntesis de moléculas con estructura estereoquímica específica diseñada para reconocer e interactuar con un ligando particular. Por el contrario, la impronta molecular es un método de construcción de una molécula, con propiedades de reconocimiento específicas, al hacer que el propio ligando dirija el ensamblaje de la estructura deseada.

Aspectos técnicos

El enfoque general de la técnica es combinar la molécula de “huella” deseada con una solución de pequeñas moléculas monoméricas que tiene varias características deseadas. Tienen una variedad de grupos funcionales (por ejemplo, donantes de enlaces de hidrógeno, aceptores, posiblemente grupos ácidos o básicos, o grupos alifáticos o aromáticos). Uno o más de estos grupos pueden interactuar específicamente con la molécula de impresión (por ejemplo, pueden formar enlaces de hidrógeno específicos). Las moléculas monoméricas se pueden hacer para polimerizar para formar un polímero rígido o semirrígido. La molécula de impresión es soluble en la solución de monómero. Los monómeros, ya sea en solución o durante el proceso de polimerización, no forman enlaces covalentes con la molécula de impresión (la interacción es estrictamente no covalente)

Después de la polimerización de los monómeros (en presencia de la molécula de impresión) las características generales del polímero son las siguientes:

1. El polímero es lo suficientemente poroso como para permitir que la molécula de impresión se difunda (y también se difunda)
2. El polímero es lo suficientemente rígido como para que se retenga la organización de las moléculas monoméricas en respuesta a la molécula de impresión.
3. Por lo tanto, se conserva la estereoquímica (es decir, tamaño, forma y orientación de grupos funcionales apropiados) de la bolsa donde se ubicaron las moléculas de impresión.

Estos sitios en el polímero constituyen una “memoria molecular inducida” capaz de reconocer selectivamente la molécula de impresión

La técnica típica de producción de polímeros ha sido producir un polímero impreso a granel y luego triturarlo para producir pequeñas partículas (25 m m). Estas pequeñas perlas son apropiadas para métodos de cromatografía líquida (es decir, pueden usarse como resinas cromatográficas y empaquetarse en una columna). La polimerización en “suspensión” puede producir perlas directamente del proceso de polimerización

La mayoría de los polímeros impresos moleculares reportados han sido elaborados a partir de monómeros de acrilatos, estirenos o silicatos, y la etapa de impresión se realizó en disolventes orgánicos. La impresión en disolventes orgánicos (por ejemplo, disolventes de baja constante dieléctrica) mejora las interacciones de enlaces de hidrógeno (es decir, electrostáticas parciales Sin embargo, puede limitar las moléculas de impresión a aquellas que son solubles en tales disolventes.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Impronta del aminoácido L-fenilalanina con monómeros de ácido metacrílico y la unión enantioselectiva de la molécula de impronta.

• Paso I. “Impronta”

Figura 4.6.1: Impronta

• Paso II. Uso del polímero impreso como resina cromatográfica para lograr preferentemente la selección enantiomérica de L-fenilalanina a partir de una mezcla racémica de L- y D-fenilalanina

Figura 4.6.2: Selección enantiomérica

Aplicaciones

Tres áreas principales de aplicación de los MIP incluyen matrices cromatográficas para separaciones difíciles (por ejemplo, enantioméricas), polímeros catalíticamente activos o imitadores enzimáticos y dispositivos Bio-sensores.

Separaciones

Hay alrededor de 500 medicamentos en el mercado que son ópticamente activos, aproximadamente el 90% de estos se administran como mezclas racémicas. La FDA ahora requiere que para los fármacos ópticamente activos ambos enantiómeros deben ser tratados como sustancias separadas en el perfil farmacocinético y toxicológico. Existe una gran necesidad de métodos preparativos de separaciones de enantiómeros

Otras separaciones

Los MIP hechos contra alcaloides u opiáceos particulares pueden discriminar entre los compuestos impresos y los compuestos estrechamente relacionados

Figura 4.6.3: Compuestos estrechamente relacionados que pueden separarse con MIP's

Polímeros impresos como imitadores enzimáticos

Si se preparan impresiones contra análogos de estado de transición, el MIP estabilizará el estado de transición y dará como resultado velocidades catalíticas mejoradas. Se han observado mayores tasas catalíticas (recambio) en comparación con las tasas de recambio del sustrato en solución con polímeros impresos con análogos de estado de transición. Sin embargo, generalmente son catalizadores pobres. Esto probablemente se deba a que no se intentó la colocación estereoquímica específica de grupos catalíticos. Por lo tanto, dichos MIP representan un marco apropiado dentro del cual colocar grupos catalíticos para lograr una catálisis eficiente.

Figura 4.6.4: Impresiones como potenciador para velocidades catalíticas

Polímeros impresos como sensores selectivos de sustrato

Los “biosensores” son dispositivos que integran moléculas receptoras específicas con dispositivos de transducción de señales. El transductor puede convertir la energía de unión del MIP/analito en cambios en protones, absorbancia de luz, calor, etc. Esta señal física/química se amplifica y se emite a un dispositivo de medición. En principio, el analito puede ser cualquier molécula que pueda ser impresa específicamente. Por ejemplo, una toxina ambiental.

Figura 4.6.5: Polímero impreso como biosensor

Conclusiones

Aunque la mayoría de los trabajos con MIP han involucrado moléculas pequeñas, en principio debería ser posible extender la utilidad de MIP para incluir el reconocimiento de biomoléculas (es decir, proteínas, ácidos nucleicos). Dicho MIP debe exhibir especificidades similares. Si MIP puede imitar sitios de unión a biomoléculas, pueden resultar alternativas útiles para el cribado de nuevos inhibidores o antagonistas. Una limitación potencial es la de la “mutagénesis”. ¿Puede un polímero que ya ha sido impreso ser “mutagenizado” (modificado químicamente?) para producir nuevas características de reconocimiento mejoradas? Otra limitación es que no se conoce la estructura estereoquímica exacta de la huella. Por lo tanto, no se dispone de la información estructural de una huella útil.