Fullerenos: mucho más que estructuras sorprendentes

Manuel Gutiérrez Becerra

Resumen—Los fullerenos son un conjunto de moléculas formadas por ciclos de carbono que adquieren curiosas formas. Pero su espectacularidad no sólo reside en su asombrosa estructura, sino también en sus múltiples aplicaciones industriales y médicas, la mayoría aún en desarrollo.

Palabras Claves—Fullerenos, cáncer, superconductor, VIH.

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1. INTRODUCCIÓN

Los fullerenos son una de las formas alotrópicas (distintas agrupaciones de átomos) del carbono. Otras formas alotrópicas del mismo elemento son el diamante y el grafito.

Los fullerenos pueden estar compuestos por distinta cantidad de átomos de carbono (desde 20 hasta miles), pero la estructura que dio nombre al conjunto de estas moléculas tiene 60 átomos de carbono. Su nombre pro- viene del arquitecto Buckminster Fuller, quien diseñó una cúpula para la exposición universal de Montreal muy similar a esta estructura.

2. DESCUBRIMIENTO Y ESTRUCTURA

Robert Curl, Richard Smalley y Harold Kroto [1] realizaron el hallazgo en 1985, mientras buscaban cadenas carbonadas de gran tamaño experiementando con grafito.

Para ello, expusieron la muestra a un haz láser, obteniendo vapor de carbono que se cristalizó mediante una corriente de helio.

Entre los cristales obtenidos se encontró una gran cantidad de fullerenos, especialmente en su forma más estable, la formada por 60 átomos de carbono (o C60). La estructura de este fullereno tan representativo, que es muy parecida a la de un balón de fútbol (Fig. 1), está formada por 32 caras (12 pentágonos y 20 hexágonos), y sus átomos de carbono tienen hibridación sp2 (se unen a otros 3 átomos de C). Los ciclos hexagonales poseen la estructura aromática del benceno, sin embargo, los pentagonales no.

Además de las formas superiores e inferiores del fullereno C60, también se originan unas curiosas estructuras formadas por fullerenos superiores que engloban a otros menores, acertadamente denominadas “nanocebollas”.

3. APLICACIONES

Los fullerenos están destinados a ser una pieza clave en el desarrollo de tratamientos antitumorales y en aplicaciones en la industria electrónica, además de en otros usos aún por descubrir en el campo de la nanotecnología.

3.1. Aplicaciones biomédicas

Sorprendentemente, los fullerenos sustituidos constituyen una pieza clave en el desarrollo de la investigación contra el cáncer y el SIDA. Algunos ejemplos de aplicaciones biomédicas son:

- Acción contra el virus del SIDA: La estructura y propiedades de algunos derivados del fullereno, especialmente aquellos sustituidos con aminoácidos, permiten que estos se unan al centro activo de la proteasa del VIH mediante puentes de hidrógeno, inhibiendo la replicación vírica (Fig. 2).

- Diagnosis: La estructura de “jaula” de los fullerenos permite encapsular en su interior radioisótopos inestables (como el 99mTc), facilitando su transporte y direccionamiento en sistemas biológicos para su uso en aplicaciones de diagnosis.

- Mantenimiento de cultivos celulares: Los derivados solubles en agua del fullereno, como el fullerenol, penetran 76con facilidad la membrana celular y se localizan preferentemente en la mitocondria. Allí actúan como “esponjas” que se unen a los radicales libres impidiendo que estos causen daño oxidativo en la célula, y evitando también la apoptosis [2].

- Tratamiento contra el cáncer y antibacteriano: Los fullerenos pueden direccionarse a células cancerosas conjugándolos a agentes de direccionamiento adecuados. Una vez en el interior celular, al irradiarlos con luz UV (son fotosensibles) transfieren energía al oxígeno presente generando radicales libres que inducen la apoptosis de la célula. Un proceso similar de fotosensibilización se sigue en la eliminación de bacterias (especialmente de las Gram positivas, debido a su pared celular monoestratificada) [3].

3.2. Aplicaciones industriales

Entre las aplicaciones más destacadas podemos resaltar su uso como superconductor. Ya se había demostrado que, aunque el fullereno C60 es aislante, su dopaje con uno o varios átomos alcalinos, como el K, genera una estructura superconductora (K3C60) gracias a la transferencia de carga de los átomos alcalinos. Sin embargo, esta alta conductividad aumenta en un 79% si los complejos superconductores se disponen en forma de nanotubos (Fig. 3) [4].

Por otra parte, aprovechando la fotosensibilidad del fullereno, se está experimentando con ellos para mejorar el rendimiento de placas fotovoltaicas. Mediante diferentes técnicas de alta sensibilidad (fluorescencia ultrarrápida, mapeado nanoscópico, tomografía y microscopía electrónica de barrido), se ha concluido que se alcanza una composición óptima en placas con dominios formados por fullerenos y polímeros [5].

4. AUMENTO DEL TIEMPO DE VIDA

Uno de los hallazgos más curiosos de este particular conjunto de estructuras es el de su efecto de retraso del envejecimiento. Aunque su toxicidad ha sido un tema polémico desde su descubrimiento (debido a su capacidad de unirse a proteínas y a otras posibles fuentes de daño celular), cada vez son más los estudios que avalan no sólo su inocuidad, sino a sus posibles sus beneficios.

Las investigaciones de Gao y colaboradores [6] han mostrado que los polihidroxifullerenos (en una concentración superior a cierta concentración umbral) aumentan el tiempo de vida de organismos como las dafnias (pulgas de agua) retrasando proporcionalmente su crecimiento (Fig. 4) y estimulando su reproducción. La principal explicación a este fenómeno radica en la ya mencionada capacidad de estas estructuras para unirse a radicales libres, responsables en parte del envejecimiento del organismo.

5. CONCLUSIONES

Los fullerenos son mucho más que bellas estructuras. El amplio rango de utilidades y funciones que presentan, la mayoría de ellas en desarrollo actualmente, aún no se ha estudiado en profundidad. A pesar de esto, en apenas 29 años desde su descubrimiento se ha conseguido avanzar hasta realizar ensayos preclínicos. Esta tendencia hace suponer que, tarde o temprano, las aplicaciones de los fullerenos se harán una realidad y, aunque éstas sean tantas y tan variadas, la investigación se centra en gran medida en la lucha contra el VIH y el cáncer. Sin embargo, esto no descarta la aparición de novedosos usos en otras áreas de estudio. ¿Qué más funcionalidades guarda esta curiosa “caja de sorpresas”?

REFERENCIAS

[1] Web del Colegio Oficial de Doctores y Licenciados en Filosofía y Letras y en Ciencias de la Comunidad de Madrid http://www.cdlmadrid.org/cdl/archivospdf/ciencias/estructuras-carbono.pdf

[2] Bakry R, Vallant RM, Najam-ul-Haq M, Rainer M, Szabo Z, Huck CW, Bonn GK "Medicinal applications of fullerenes" International Journal of Nanomedicine. 2007; 2(4):639-49

[3] Huang L, Wang M, Sharma SK, Sperandio FF, Maragani S, Nayka S, Chang J, Hamblin MR, Chiang LY "Decacationic [70] Fullerene Approach for Efficient Photokilling of Infectious Bacteria and Cancer Cells" ECS Trans. 2013; 45(20) doi: 10.1149/04520.0065ecst

[4] Hiroyuki Takeya, Kunichi Miyazawa, Ryoei Kato, Takatsugu Wakahara, Toshinori Ozaki, Hiroyuki Okazaki, Takahide Yamaguchi, Yoshihiko Takano "Superconducting Fullerene Nanowhiskers" Molecules. 2012 Apr 26; 17(5):4851-9. doi: 10.3390/molecules17054851

[5] Hedley GJ, Ward AJ, Alekseev A, Howells CT, Martins ER, Serrano LA, Cooke G, Ruseckas A, Samuel ID “Determining the optimum morphology in high-performance polymer-fullerene organic photovoltaic cells” Nat Commun. 2013; 4:2867. doi: 10.1038/ncomms3867

[6] Gao J, Wang Y, Folta KM, Krishna V, Bai W, Indeglia P, Georgieva A, Nakamura H, Koopman B, Moudgil B “Polyhydroxy fullerenes (fullerols or fullerenols): beneficial effects on growth and lifespan in diverse biological models” PLoS One. 2011; 6(5):e19976. doi: 10.1371/journal.pone.0019976