Aplicación de la Biotecnología de Polímeros al diseño de nuevos materiales antimicrobianos.

• Autores: Francisco Germán Blanco Parte
• Directores de la Tesis: María Auxiliadora Prieto Jiménez (dir. tes.), Ana M. Hernández-Arriaga (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Application of Polymer Biotechnology to design new antimicrobial materials.
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Pérez Gil (presid.), Barbara Olmeda Lozano (secret.), Rainhard Machatschek (voc.), María José Fabra Rovira (voc.), Pedro Aurelio García González (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Bioquímica, Biología Molecular y Biomedicina por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Microbiología
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen

  • Los biopolímeros bacterianos, debido a su biocompatibilidad, son materiales de interés biomédico. Sin embargo, los costes de producción siguen siendo un cuello de botella de cara a su implementación como materiales de uso habitual. La celulosa bacteriana (BC) y los polihidroxialcanoatos (PHAs) son dos de los polímeros bacterianos mejor estudiados. La BC es un polímero de glucosa que destaca por su capacidad de retención de agua. Los PHAs, son una amplia familia de poliésteres hidrofóbicos con gran variedad de propiedades en función de su composición monomérica. De cara a la implementación de estos materiales en biomedicina, resulta fundamental su funcionalización con propiedades antimicrobianas. Además, el diseño de nuevos materiales antimicrobianos exige el uso de moléculas alternativas a los antibióticos. En esta tesis, estudiamos la producción de polímeros bacterianos y su funcionalización como materiales antimicrobianos.

    En el Capítulo 1, estudiamos el impacto del oxígeno y la forma de aireación en el bioproceso, en el polímero, y en la cepa productora de BC Komagataeibacter medellinensis ID13488. Mediante el crecimiento de cultivos a distintas presiones, analizamos el efecto de la concentración de oxígeno en condiciones estáticas o en combinación con estrés por cizalla. Nuestros resultados indican que las condiciones de hipoxia favorecen la producción de BC, mientras que mayores concentraciones de oxígeno favorecen el crecimiento celular. El estrés por cizalla indujo la aparición de mutantes no productores del polímero. Además, se ha demostrado que K. medellinensis es una bacteria productora de BC cristalina robusta, ya que las condiciones de cultivo no tuvieron impacto sobre esta propiedad. Finalmente, el cultivo a distintas presiones resultó ser un método con el que modificar la porosidad del polímero.

    Los Capítulos 2 y 3 abordan la funcionalización de BC y PHA para aplicaciones antimicrobianas. La BC posee propiedades ideales para el tratamiento de heridas. Por ello, nos centramos en conferirle actividad bactericida frente al patógeno tópico Staphylococcus aureus. Primero, mediante la combinación de BC con PHACOS, un tipo de PHA intrínsecamente activo frente a esta bacteria. Después, mediante la incorporación de un enzibiótico antiestafilocócico en membranas de BC. Ambas aproximaciones generaron materiales antimicrobianos efectivos. Además, para los PHAs, se buscó otro nicho de aplicación. Estos materiales son buenos candidatos para ser vehiculizados a través de barreras corporales hidrofóbicas, como el surfactante pulmonar. Por tanto, diseñamos un sistema de producción de nanopartículas (NPs) con propiedades adecuadas para terapia pulmonar. Sobre dichas NPs se inmovilizó un enzibiótico activo frente al patógeno respiratorio Streptococcus pneumoniae utilizando un péptido de unión a PHA. Las NPs funcionalizadas presentaron actividad sostenida en el tiempo frente a cultivos planctónicos y en biofilm de dicha bacteria.

    Debido al éxito de esta última estrategia de funcionalización, en el Capítulo 4 se abordó el diseño y caracterización de péptidos de unión a materiales (MBPs), usando como moldes las fasinas de Pseudomonas putida. Se estudiaron las propiedades fisicoquímicas y estructurales de dos péptidos (MinP y MinI), así como su unión a distintos tipos de PHAs in vivo en chasis bacterianos diseñados ad hoc. Su capacidad de unión a estos polímeros también fue estudiada in vitro, utilizando la técnica de la balanza de Langmuir, cuyo análisis reveló constantes de disociación en el orden nM. Además, el impacto de la unión en la morfología del polímero fue estudiado mediante técnicas interfaciales. Finalmente, expandimos la aplicación de estos MBPs a otros poliésteres sintéticos.

    Globalmente, esta tesis emplea un enfoque multidisciplinar implicando tecnologías de vanguardia de los ámbitos de la Biotecnología, la Biofísica y la Ciencia de Materiales para abordar el desarrollo de nuevos materiales antimicrobianos.