Materiales basados en el metabolismo del hierro

Resum

La presente Tesis Doctoral se enmarca en el estudio de aspectos concretos del metabolismo de hierro, por una parte con un enfoque más clásico, que pretende entender mejor la función de determinadas metaloproteínas de hierro y por otra parte, con un enfoque más innovador, intentando recrear escenarios biológicos complejos compuestos de varias metaloproteínas donde poder estudiar las consecuencias patológicas que una disfunción en alguna de ellas podría desencadenar. Además, aprovechando el conocimiento generado, hemos llevado a cabo el desarrollo de nuevos materiales, que podríamos considerar bioinspirados en el metabolismo del hierro, con el objetivo de que puedan ser conceptualmente útiles para intervenir en dichos desajustes y actuar a nivel terapéutico en las patologías que de ello se derivan. En el primer capítulo de la Tesis, se exponen a modo de introducción las principales características de la maquinaria química que define el metabolismo y la homeostasis del hierro en los seres vivos, con especial hincapié en los tres pilares que conforman la estructura de la presente Tesis Doctoral: la ferritina, la lactoferrina y el metabolismo del hierro en bacterias. En el segundo capítulo, se ponen de manifiesto las discrepancias sobre los mecanismos de actuación del centro ferroxidasa de la ferritina, centrando la atención en cómo la propia función de la ferritina viene regulada por la composición de su cápside proteica, concretamente en la relación entre subunidades H y L, y se pretenden adelantar las implicaciones biológicas que una síntesis ¿inadecuada¿ por parte de la célula a la hora de elegir esta combinación de subunidades H y L para la formación de una ferritina funcional podría tener, especialmente a nivel cerebral. En este marco, hemos pretendido ir más allá de la controversia existente entre los diferentes mecanismos de actuación del centro ferroxidasa de la ferritina y hemos querido poner de manifiesto, por primera vez, que la alta actividad ferroxidasa y baja capacidad de almacenamiento de hierro de las ferritinas ricas en subunidades H, tiene implicaciones biológicas en un contexto más amplio que engloba a otras metaloproteínas de especial interés a nivel neurológico que participan en la homeóstasis de metales, como cobre y cinc. Del conocimiento adquirido de los resultados anteriores, hemos diseñado también una serie de materiales con actividad antimicrobiana bioinspirados en las proteínas presentes en la leche materna, donde la ferritina es predominantemente H y existen elevadas concentraciones de lactoferrina, proteína encargada de captar Fe(III) para privar a los microorganismo patógenos de este metal esencial para su proliferación. La existencia de este ¿tándem¿ lactoferrina ¿ ferritina H en leche materna nos inspiró para llevar a cabo la preparación de materiales formados por ambas proteínas que combinaran de manera sinérgica las funciones de éstas, es decir, un alto poder detoxificante de Fe(II), por parte de la ferritina H, y una rápida incorporación del Fe(III) generado en la lactoferrina, actuando estos materiales como secuestradores de hierro en cualquiera de sus estados de oxidación, llevando a cabo por tanto una acción antimicrobiana completa. En paralelo hemos explorado una vía en la que podamos entender cómo, al mismo tiempo que nuestro organismo priva del hierro a microorganismos infecciosos, existen ciertas bacterias probióticas beneficiosas capaces de captar hierro a expensas del ¿host¿ donde proliferan. En particular hemos demostrado, usando el fenómeno de FRET, que la lactoferrina no sólo no tiene acción bacteriostática frente a estas bacterias beneficiosas, sino que además promueve su proliferación actuando como donor de hierro, justo al contrario de como ocurre con los microorganismos patógenos. Por último, y como fruto del estudio del metabolismo de hierro en bacterias probióticas, hemos podido constatar la presencia una molécula reductora emitida por estas bacterias capaz de reducir Fe(III) a Fe(II). Este poder de reducción ha sido aplicado a otros iones metálicos y en particular hemos demostrado que estas bacterias probióticas son capaces de reducir Au(III) a Au(0) con la consiguiente formación de nanopartículas de Au que se quedan fijadas en el biofilm de la bacteria. Por otra parte, trabajos llevados a cabo en el grupo de investigación en los que he participado, habían puesto de manifiesto que estas bacterias probióticas son capaces de incorporar en su superficie nanopartículas de maghemita. Hemos prentendido combinar ambas propiedades de estas bacterias probióticas: poder de reducción de Au(III) y capacidad de incorporar nanopartíulas de óxido de hierro en su membrana exterior, para generar bacterias vivas compuestas simultáneamente por nanopartículas con propiedades ópticas (debido a la presencia de nanopartículas de Au) y magnéticas (debido a la presencia de nanopartículas de maghemita). Esto nos ha permitido crear el primer material vivo con propiedades magneto-ópticas. Bibliografía: 1) Carmona F., Palacios, Ò., Gálvez, N., Cuesta, R., Atrian, S., Capdevila, M., & Domínguez-Vera, J. M. (2013). Ferritin iron uptake and release in the presence of metals and metalloproteins: chemical implications in the brain. Coordination Chemistry Reviews, 257(19), 2752-2764. 2)Carmona F., Mendoza D., Kord S., Asperti M., Arosio P., Atrian S., Capdevila M., Dominguez-Vera J. M.. (2014). Apoferritin and copper-metallothionein: it takes two to tango. Submitted to Chemistry: A European Journal 3)Carmona F., Mendoza D., Megía-Ferna¿ndez A., Santoyo-Gonzalez F., Domínguez-Vera J. M. (2013). A bioinspired hybrid silica¿protein material with antimicrobial activity by iron uptake. Metallomics, 5, 193. 4)Carmona F., Mendoza D., Megía-Ferna¿ndez A., Santoyo-Gonzalez F., Domínguez-Vera J. M. (2013). A bioinspired hybrid silica¿protein material with antimicrobial activity by iron uptake. Metallomics, 5, 193. 5)Carmona F., Martín M., Gálvez N., Domínguez-Vera J. M. (2014). Bioinspired magneto-optical bacteria. Submitted to Inorganic Chemistry.