ES2336804T3 - Inmovilizacion de una biomolecula utilizando tecnologia de plasma atmosferico. - Google Patents

Inmovilizacion de una biomolecula utilizando tecnologia de plasma atmosferico. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para inmovilizar una biomolécula en una superficie de muestra mediante la generación y mantenimiento de un plasma a presión atmosférica a una temperatura entre la temperatura ambiente y 60ºC, comprendiendo dicho procedimiento las etapas que consisten en: - introducir una muestra en el espacio entre un primer y un segundo electrodo, estando presente una atmósfera mezclada entre dichos electrodos, - aplicar una tensión alterna a dichos primer y segundo electrodos para generar y mantener un plasma en el espacio volumétrico entre dichos electrodos, alternando dicha tensión entre una tensión positiva para dicho primer electrodo y una tensión cero para dicho segundo electrodo, y una tensión cero para dicho primer electrodo y una tensión negativa para dicho segundo electrodo, y - depositar un revestimiento sobre una superficie de dicha muestra, en el que dicha atmósfera mixta comprende un precursor polimérico de plasma reactivo y un aerosol que comprende la biomolécula, y en el que dicho precursor polimérico de plasma reactivo se deposita y dicha biomolécula se inmoviliza durante la etapa de deposición.

Description

Inmovilización de una biomolécula utilizando tecnología de plasma atmosférico.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a técnicas de plasma, que implican la inclusión de moléculas biológicas en una capa depositada de plasma.
Estado de la técnica
En la técnica resulta conocido aplicar grupos funcionales a una superficie mediante tecnología de plasma. En una segunda etapa, es posible a continuación fijar biomoléculas a dichos grupos funcionales. Los grupos funcionales pueden obtenerse mediante la activación de polímeros o mediante la aplicación de una capa de cobertura con grupos funcionales. En la mayoría de los casos, la tecnología conocida se refiere a un proceso de por lo menos dos etapas.
El documento DE19835869 describe la estabilización de una enzima inmovilizada sobre un sustrato, especialmente un biosensor o biorreactor. El documento menciona la aplicación simultánea de enzimas sobre una superficie y la aplicación de una capa polimérica. La tecnología utilizada es la deposición en la fase de gas, que crea un entorno inestable para las biomoléculas y lleva a una degradación no deseada de las mismas.
La patente EP0351950 se refiere a la utilización de plasma para inmovilizar la proteína sobre superficies poliméricas, en la que se utiliza un proceso de dos etapas en el que las biomoléculas se exponen a un plasma de baja presión (vacío). La aplicación de biomoléculas se realiza separadamente de la aplicación de los precursores poliméricos. El proceso descrito es así únicamente aplicable a sustratos poliméricos.
La patente EP1231470 describe un procedimiento para la inmovilización de sustancias con tecnología de plasma. Las biomoléculas se ponen en contacto con el plasma en un proceso de por lo menos dos etapas: una capa polimérica de plasma opcional se aplica a una superficie, seguido por la colocación de las biomoléculas en dicha superficie y la aplicación en vacío de una película polimérica de plasma en dichas biomoléculas. Es dudoso que las biomoléculas conserven sus actividades con este procedimiento, dado que están cubiertas por una película gruesa polimérica.
El documento WO 03/086031 describe un proceso de plasma atmosférico que comprende pulverizar precursores líquidos en un plasma que provocan la polimerización. No se hace ninguna mención específica a las biomoléculas.
El documento "Antimicrobial coatings obtained in an atmospheric pressure dielectric barrier flow discharge", de Paulussen et al, actas del simposio de MRS, tomo 724, 1 de Abril de 2002, p. 246, está relacionado con el desarrollo de revestimientos poliméricos de plasma incluidas las sustancias antimicrobiales tales como sales de plata, mediante la adición de dichas sustancias a una solución precursora.
El documento DE19835869 está relacionado con un procedimiento para producir capas estables de enzimas sobre un sustrato vehículo, donde la enzima se inmoviliza en el vehículo, y donde después o durante la inmovilización, en la fase de gas se deposita una capa polimérica mediante una técnica de deposición.
Objetivos de la invención
El objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento para inmovilizar biomoléculas sobre una superficie, con el fin de que sea posible utilizar dichas biomoléculas en interacción específica con otras moléculas de interés. El objetivo de la presente invención consiste así en desarrollar un proceso de una etapa totalmente nueva para la inmovilización de proteínas/enzimas u otras biomoléculas, que sea aplicable a gran escala a superficies de cualquier tipo. La nueva metodología debería ofrecer varias ventajas sobre las técnicas clásicas de inmovilización, incluida una mejor reproducibilidad, elevada flexibilidad, amplia aplicabilidad, tratamiento directo y, en consecuencia, unos índices elevados de rendimiento. El nuevo sistema de tratamiento podría a su vez llevar a aplicaciones totalmente nuevas que no son factibles con la tecnología del estado de la técnica actual.
Sumario de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para inmovilizar una biomolécula en una superficie de muestra mediante la generación y mantenimiento de un plasma frío a presión atmosférica, comprendiendo dicho procedimiento las etapas que consisten en:
\bullet
introducir una muestra en el espacio entre un primero y un segundo electrodos, encontrándose presente una atmósfera mixta entre dichos electrodos,
\bullet
aplicar una tensión alterna a dichos primer y segundo electrodos para generar y mantener un plasma en el espacio volumétrico entre dichos electrodos, alternando dicha tensión entre una tensión positiva para dicho primer electrodo y una tensión cero para dicho segundo electrodo, y una tensión cero para dicho primer electrodo y una tensión negativa para dicho segundo electrodo, y
\bullet
depositar un revestimiento sobre una superficie de dicha muestra,
en el que durante la etapa de deposición, se depositan e inmovilizan un precursor reactivo y una biomolécula.
Preferentemente, el precursor reactivo es un gas o un líquido en la forma de un aerosol.
La biomolécula se selecciona preferentemente de entre el grupo compuesto de una proteína, un polinucleótido, un azúcar, un lípido, un factor de crecimiento, una hormona y una sustancia fisiológicamente activa.
El precursor reactivo puede seleccionarse de entre el grupo compuesto por un hidrocarburo, un hidrocarburo fluorado y un compuesto organometálico o una combinación de los mismos.
La atmósfera mixta puede comprender helio, argón, nitrógeno, aire, dióxido de carbono, amonio o una combinación de los mismos.
La muestra puede comprender materiales metálicos, cerámicos o plásticos, fibras tejidas o no tejidas, fibras naturales o fibras sintéticas o polvos.
Si es necesario, los electrodos pueden enfriarse a temperaturas entre 0ºC y 100ºC.
Según la invención, la atmósfera mixta comprende el precursor reactivo y un aerosol que comprende la biomolécula.
En otra forma de realización alternativa de la presente invención, el precursor reactivo se administra a la reminiscencia residual de dicho plasma junto con un aerosol que comprende una biomolécula, depositándose e inmovilizándose ambos en una superficie de muestra que se coloca en la misma reminiscencia residual durante la etapa de deposición.
Descripción detallada de la invención
En el contexto de la presente invención se contempla que los materiales biotécnicos presenten lugares de biorreconocimiento diseñados para interactuar específicamente con otras especies de interés biológicas o no biológicas. La presente invención permite diseñar y construir superficies robustas de bioingeniería mediante un tratamiento de plasma frío atmosférico, que permiten la fijación de todos los tipos de biomoléculas a las superficies de un modo directo sin utilizar fijadores químicos que puedan cambiar la configuración y actividad de las biomoléculas o que puedan implicar costes elevados y problemas referentes a la homogeneidad. Dicha tecnología puede abrir el camino a un ámbito completamente nuevo de futuras aplicaciones en el entorno médico, químico, alimentario, de los materiales y muchos otros sectores industriales, incluidos, pero sin que esto represente limitación alguna:
\bullet
Biosensores para aplicaciones a gran escala y pequeña escala como, por ejemplo, la detección de contaminantes (dioxinas, sustancias seudo-estrogénicas, antibióticos, microcontaminantes, etc., por ejemplo en el agua y en el aire), diagnósticos biomédicos, ensayos de toxicidad, etc.;
\bullet
Laboratorios en un solo chip: la barrera de baja energía para la movilidad en el plano de la superficie puede utilizarse para facilitar reacciones complejas que exigen un grupo de diferentes proteínas, incluidas las aplicaciones en el campo de la bilogía molecular;
\bullet
Materiales biomiméticos, por ejemplo para implantes (para imitación del reconocimiento biomolecular);
\bullet
Células solares basadas en proteínas de transferencia inmovilizadas de transferencia de carga fotosensible;
\bullet
Superficies no contaminantes para diagnósticos médicos, termointercambiadores, y equipo de elaboración de alimentos;
\bullet
Revestimientos antimicrobianos para textiles (médicos), plásticos para aplicaciones médicas, envases de alimentos;
\bullet
Superficies para controlar directamente la liberación de fármacos;
\bullet
Materiales/textiles inteligentes, por ejemplo mediante la incorporación de proteínas en revestimientos conductores poliméricoss de plasmas, que pueden permitir la transmisión de una señal biológica a un procesador;
\bullet
Plantillas para crecimiento extracorpóreos y/o in vivo de tejidos funcionales;
\bullet
Morfologías cristalinas bioinducidas: las biomoléculas ordenadas en una superficie pueden inducir a la mineralización y las morfologías obtenidas diferir de las clásicas. Dichas superficies minerales pueden encontrar aplicaciones en el desarrollo de materiales y la microelectrónica;
\bullet
Revestimientos conductores basados en proteínas conductoras (por ejemplo, el citocromo C en la albúmina sérica bovina);
\bullet
Aplicaciones de biocatálisis, por ejemplo, biodegradación de moléculas más resistentes en aguas residuales y la retirada de microcontaminantes, catálisis de reacciones bioquímicas muy específicas para producir compuestos químicos de gran valor (por ejemplo compuestos quirales).
Un aerosol compuesto de una biomolécula se administra a un plasma frío atmosférico junto con un precursor polimérico de plasma, ya sea gaseoso o líquido. Si es necesario, al plasma se le pueden añadir aerosoles de mezclas o mezclas de diferentes aerosoles, posiblemente junto con los precursores gaseosos. Es importante incorporar las biomoléculas en un revestimiento polimérico de tal modo que se conserve por lo menos parte de la actividad o estructura biológica. La presente invención constituye un proceso de una etapa. Además, cualquier sustrato, de cualquier forma o material, puede revestirse con biomoléculas utilizándose el procedimiento de la presente invención.
Una ventaja principal de la presente invención es su capacidad para tratar los materiales de un modo rentable y a gran escala, lo cual no es posible con la tecnología del estado de la técnica actual.
El procedimiento de inmovilización según la presente invención comprende la incorporación de biomoléculas, y proteínas en particular, en revestimientos polimerizados finos de plasma. Con este fin, los aerosoles que contengan estas proteínas u otras biomoléculas se administrarán a un plasma frío atmosférico junto con precursores poliméricos líquidos o gaseosos. La configuración preferida de plasma que deberá utilizarse cuando se aplique la presente invención es la descarga de barrera dieléctrica (DBD), que se compone de una reminiscencia uniforme. La inmovilización de biomoléculas no es viable con la tecnología de plasma de vacío o baja presión RF (13, 56 MHz), bien estudiada, por una serie de razones, pero principalmente debido a la presencia de especies altamente energéticas en el plasma que provocan un daño importante a las proteínas o pueden incluso destruirlas. Además, el tratamiento de proteínas y soluciones de proteína es impracticable en condiciones de vacío.
El tratamiento de plasma a presión atmosférica es una tecnología relativamente nueva -los primeros informes son del año 1990- y ofrece muchas ventajas sobre la tecnología de plasma en vacío, incluida la capacidad de trabajo en línea, los costes de proceso notablemente menores y la compatibilidad con prácticamente cualquier tipo de material de sustrato. La característica más importante de los plasmas de presión atmosférica en este contexto es no obstante la ausencia de especies altamente energéticas en el plasma. Aunque las moléculas complejas precursoras se fracturan cuando se exponen al plasma en vacío, mantienen su estructura en gran medida en los plasmas a presión atmosférica. Dicho fenómeno se atribuye a la longitud reducida media de recorrido libre de las especies activas debido a la presencia de altas cantidades de moléculas de gas. En consecuencia, dicha nueva tecnología permite también la incorporación de biomoléculas en revestimientos con únicamente modificaciones menores. Las soluciones que contienen biomoléculas/proteínas, ya sea acuosas o con disolventes añadidos, pueden administrarse al plasma como un aerosol junto con un hidrocarburo líquido o gaseoso o un precursor polimérico de molécula híbrida orgánica/inorgánica. En consecuencia, las biomoléculas presentes en las gotas pueden incorporarse en revestimientos finos poliméricos de plasma cuando están expuestas a la superficie y muestran su actividad. La incorporación de biomoléculas puede realizarse físicamente (mediante su inserción) o mediante el enlace covalente, dependiendo de las condiciones de reacción y el tipo de precursor utilizado. Durante este proceso, las proteínas no estarán obligadas a cambiar su conformación a fin de fijarse a una superficie dado que el revestimiento, preferentemente un revestimiento con un alto contenido de agua, se formará sobre las proteínas, estabilizándolas y protegiéndolas de ese modo. No obstante, continúa siendo importante que la orientación de las proteínas en la proximidad de la superficie permita que expongan sus lugares biológicamente activos o que la densidad de enlace cruzado del polímero de plasma sea lo suficientemente baja para permitir la difusión de los sustratos coincidentes en las proteínas completamente empotradas. Los precursores que contienen grupos funcionales como las aminas y los carboxilos se fijarán químicamente a las biomoléculas aunque esto es menos probable que ocurra con precursores como los alcanos. En el último caso, sí podría tener lugar la inserción de proteínas en un revestimiento. Los precursores incluyen las moléculas orgánicas (como compuestos acrílicos, alcanos, alquenos, etc.) y moléculas hibridas orgánicas/inorgánicas (como HMDSO y TEOS).
Además, aparte de la presencia de radicales de baja energía, las condiciones de la reacción en plasmas fríos y no equilibrados son muy suaves: baja temperatura (temperatura ambiente hasta 60ºC) y presión ambiente. Hasta este momento no se ha publicado literatura ni ninguna patente sobre la producción de revestimientos biofuncionales similares mediante la tecnología de plasma a presión atmosférica.
Ejemplo 1
Una descarga de plasma a presión atmosférica se obtiene entre dos electrodos paralelos colocados horizontalmente con un tamaño de 45 \times 45 mm, ambos cubiertos con una capa de alúmina (AL_{2}O_{3}) de un espesor de 2 mm. La distancia entre los electrodos cubiertos es 2 mm. El electrodo superior se pone a masa. El electrodo inferior está conectado a una fuente de energía de CA de frecuencia variable (ENI, modelo RPG - 50). La frecuencia de la fuente de energía de CA se fija a 2 kHz. Con el fin de desarrollar ensayos en un entorno controlado, la configuración de electrodos está montada en una cámara cerrada que se evacua y se llena posteriormente con el gas vehículo antes del inicio de la deposición.
Como gas vehículo se utiliza helio. El caudal de flujo del gas vehículo se controla mediante un controlador de caudal de masa y se fija en 20 l/min. El hexametildisiloxano (HDMSO) se utiliza como precursor reactivo. Se añade al gas portador inerte en la forma de un aerosol. Al plasma se añade simultáneamente otro aerosol, que contiene una solución acuosa de estreptavidina. El tiempo de deposición se fija en 1 min. Se observa la deposición del revestimiento de la superficie de ambos electrodos y en los sustratos fijados a estos electrodos. El espesor de los revestimientos es igual a 175 nm. Se evaluó la presencia de estreptavidina en el revestimiento del polímero de plasma obtenido y la capacidad de la estreptavidina de fijar la biotina etiquetada fluorescentemente después de la inmovilización utilizando el microscopio de fluorescencia. Después de utilizar el ensayo de fijación de la biotina etiquetada fluorescentemente, pudo observarse una señal, lo que indica que la estreptavidina se inmovilizó en el revestimiento, conservando aún por lo menos parte de su actividad de fijación.
Ejemplo 2
Se obtiene una descarga de plasma frío a presión atmosférica entre dos electrodos paralelos colocados horizontalmente con un tamaño de 8 \times 15 cm, ambos cubiertos con una placa de vidrio flotante de un espesor de 3 mm. La distancia entre los electrodos es 2 mm. El electrodo inferior está conectado a tierra y a un elemento Peltier que puede proporcionar refrigeración a temperatura ambiente, si es necesario. El elemento Peltier está a su vez conectado a una aleta de enfriamiento que está refrigerada por un ventilador. El electrodo superior está conectado a una fuente de energía de CA de frecuencia variable. A los electrodos se aplica un campo de CA de 8 kHz y de 20 kV.
El helio se utiliza como gas vehículo. El caudal de flujo del gas vehículo se controla mediante un controlador de caudal de masa y se fija en 6 l/min. El acetileno se utiliza como precursor reactivo. Se mezcla con el gas inerte vehículo y se administra al plasma a una velocidad de caudal de 0,3 l/min. Al plasma se añade simultáneamente un aerosol, que contiene una solución acuosa de avidina. El tiempo de deposición se fija en 30 segundos. En la superficie de ambos electrodos y en los sustratos de vidrio y silicona fijados a los electrodos se deposita un revestimiento. El espesor del revestimiento es igual a 25 nm tal como determina el análisis de microscopio de electrones de escaneo (SEM) de los sustratos de silicona revestidos. Se evaluó la presencia de avidina en el revestimiento polimérico de plasma obtenido y la capacidad de la avidina para fijarse a la biotina etiquetada fluorescentemente después de la inmovilización utilizándose el microscopio de fluorescencia. Después de utilizar el ensayo de fijación de la biotina etiquetada fluorescentemente, pudo observarse una señal, lo que indica que la avidina se inmovilizó en el revestimiento, conservando aún por lo menos parte de su actividad de fijación. Se efectuó el análisis de difusión por rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante (GISAX) a fin de obtener información sobre la estructura y tamaño de la avidina inmovilizada. Aparentemente por lo menos parte de la avidina inmovilizada ha conservado su estructura y forma original y, en consecuencia, su actividad.
Ejemplo 3
Se repitió el procedimiento descrito en el ejemplo 2 utilizándose un precursor líquido, siendo este precursor la pirrola, en lugar de acetileno. La pirrola se administró a la zona de plasma como un aerosol. De nuevo, se observó la deposición del revestimiento sobre la superficie de ambos electrodos y sobre los sustratos de vidrio y silicona fijados a su superficie. El espesor del revestimiento fue igual a 35 nm después de 30 segundos de deposición.
Ejemplo 4
La configuración de reactor descrita en el ejemplo 2 se utilizó para la inmovilización de la albúmina sérica bovina (BSA). El helio se administró a la zona de plasma a una velocidad de caudal de 6 l/min. La pirrola se utilizó como precursor reactivo. Se añadió al gas vehículo inerte como aerosol. Al plasma se añadió simultáneamente otro aerosol, conteniendo una solución acuosa de BSA. A los electrodos se aplicó un campo de CA de 2 kHz y 20 kV. El tiempo de deposición se fijó en 30 segundos. En la superficie de ambos electrodos y sobre los sustratos de vidrio y silicona fijados a los electrodos se depositó un revestimiento. El espesor del revestimiento es igual a 35 nm tal como se determinó por el análisis de microscopio de electrones de escaneo (SEM) de los sustratos de silicona revestidos. Se efectuó el análisis de rayos X de ángulo pequeño (GISAX) con el fin de obtener información sobre la estructura y tamaño del BSA inmovilizado. Aparentemente, una parte sustancial de la BSA inmovilizada ha conservado su estructura y forma original y, en consecuencia, su actividad.
Ejemplo 5
Una solución de albúmina sérica bovina (BSA) se coloca sobre un sustrato de vidrio. Después de secar la muestra durante 12 horas a temperatura ambiente, se coloca sobre el electrodo inferior de la configuración descrita en el ejemplo 2, y se administra helio y acetileno a la zona entre los electrodos a un caudal de flujo de 6 y 0,3 l/min, respectivamente. Después de 10 segundos de deposición, se obtuvo una capa con un espesor de 3 a 5 nm. Se analizó la muestra por medio del análisis de rayos X de ángulo pequeño (GISAX) y, aparentemente, la BSA conservó su estructura y tamaño original en gran medida después de este tipo de tratamiento.

Claims (8)

1. Procedimiento para inmovilizar una biomolécula en una superficie de muestra mediante la generación y mantenimiento de un plasma a presión atmosférica a una temperatura entre la temperatura ambiente y 60ºC, comprendiendo dicho procedimiento las etapas que consisten en:
\bullet
introducir una muestra en el espacio entre un primer y un segundo electrodo, estando presente una atmósfera mezclada entre dichos electrodos,
\bullet
aplicar una tensión alterna a dichos primer y segundo electrodos para generar y mantener un plasma en el espacio volumétrico entre dichos electrodos, alternando dicha tensión entre una tensión positiva para dicho primer electrodo y una tensión cero para dicho segundo electrodo, y una tensión cero para dicho primer electrodo y una tensión negativa para dicho segundo electrodo, y
\bullet
depositar un revestimiento sobre una superficie de dicha muestra,
en el que dicha atmósfera mixta comprende un precursor polimérico de plasma reactivo y un aerosol que comprende la biomolécula, y en el que dicho precursor polimérico de plasma reactivo se deposita y dicha biomolécula se inmoviliza durante la etapa de deposición.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el precursor polimérico de plasma reactivo es un gas o un líquido en la forma de un aerosol.
3. Procedimiento para inmovilizar una biomolécula en una superficie de muestra mediante la generación y el mantenimiento de un plasma a presión atmosférica a una temperatura entre la temperatura ambiente y 60ºC, comprendiendo dicho procedimiento las etapas que consisten en:
-
introducir una muestra en el espacio entre un primer y un segundo electrodo, estando presente una atmósfera mixta entre dichos electrodos,
-
aplicar una tensión alterna a dichos primer y segundo electrodos para generar y mantener un plasma en el espacio volumétrico entre dichos electrodos, alternando dicha tensión entre una tensión positiva para dicho primer electrodo y una tensión cero para dicho segundo electrodo, y una tensión cero para dicho primer electrodo y una tensión negativa para dicho segundo electrodo, y
-
depositar un revestimiento sobre una superficie de dicha muestra,
en el que durante la etapa de deposición se deposita un precursor polimérico de plasma reactivo y se inmoviliza una biomolécula, y en el que el precursor polimérico de plasma reactivo se administra a la luminiscencia residual de dicho plasma junto con un aerosol que comprende una biomolécula, depositándose e inmovilizándose ambos sobre una superficie de muestra que está dispuesta en la misma luminiscencia residual durante la etapa de deposición.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la biomolécula se selecciona de entre el grupo constituido por una proteína, un polinucleótido, un azúcar, un lípido, un factor de crecimiento, una hormona.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el precursor polimérico de plasma reactivo se selecciona de entre el grupo constituido por un hidrocarburo, un hidrocarburo fluorado y un compuesto organometálico o una combinación de los mismos.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la atmósfera mixta comprende helio, argón, nitrógeno, aire, dióxido de carbono, amonio o una combinación de los mismos.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la muestra comprende materiales metálicos, cerámicos o plásticos, fibras tejidas o no tejidas, fibras naturales o fibras sintéticas o polvos.
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que los electrodos se enfrían a temperaturas entre 0ºC y 100ºC.
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