Premio Nobel de Química 2025 a los nanomateriales MOF

El Premio Nobel de Química 2025 fue concedido a Susumu Kitagawa de la Universidad de Kyoto, Richard Robson de la Universidad de Melbourne y Omar M. Yaghi de la Universidad de California en Berkeley por el desarrollo de materiales MOFs basados estructuras metal-orgánicas.

En sentido estricto. los MOFs. son en la clasificación de los nanomateriales uno de los cinco grupos pertenecientes a los materiales nanoestructurados. Están formados por la unión de iones metálicos o clústeres metálicos (zinc, cobre, hierro, cobalto, aluminio, zirconio, entre otros.) con ligandos orgánicos (moléculas con grupos carboxilato o imidazol, como el ácido tereftálico o el ácido trimésico).

El resultado es una estructura porosa tridimensional, muy ordenada, con una superficie interna enorme en relación a su volumen. En otras palabras: Los MOF son como “esponjas a escala nanométrica” en las que los metales actúan como nodos y las moléculas orgánicas como conectores, generando redes con cavidades y canales de tamaño controlable.

Figura: Esferas rojas: representan los iones metálicos o nodos metálicos. Son los puntos de conexión del entramado. Barras azules: simbolizan los enlaces orgánicos o ligandos Actúan como “puentes” entre los iones metálicos. Poliedros amarillos: indican las cavidades o poros internos, es decir, los espacios vacíos nanométricos que se forman dentro de la estructura tridimensional.

En función de los poros presentes en la nanoestructura se los puede clasificar en:-Microporosos (la mayoría de los MOFs), con un diámetro de poro entre 0,5 y 2 nanómetros (nm), suficiente para alojar moléculas pequeñas como H₂, CO₂, CH₄ o H₂O.

-Mesoporosos (MOFs especiales) con poros entre 2 y 10–20 nm, para permitir la entrada de moléculas más grandes o incluso biomoléculas.

-Macroporosos (raros en MOFs) con tamaños superiores a 50 nm.

 

 Crédito: Prof. Omar M. Yaghi. https://yaghi.berkeley.edu/index.html

Entre sus propiedades podemos destacar su altísima área superficial que puede superar los 5.000 m² por gramo (más que el grafeno o el carbón activado); la porosidad controlable (se puede elegir el tamaño y la forma de los poros según la aplicación), su ligereza - estabilidad química y la posibilidad de funcionalización incorporando moléculas o grupos funcionales específicos en su estructura.

Las Aplicaciones de los materiales nanoestructurados MOF las encontramos en el almacenamiento de gases ( hidrógeno, metano o dióxido de carbono); la captura de CO₂ (los MOF pueden absorber selectivamente dióxido de carbono del aire o de emisiones industriales); en la catálisis actuando como catalizadores o soportes catalíticos en reacciones químicas; en la liberación controlada de fármacos en biomedicina (sus poros pueden “cargar” y “liberar” medicamentos de forma dirigida); en nanosensores para detectar gases, humedad o moléculas específicas y para la purificación del agua mediante la eliminación de metales pesados o contaminantes orgánicos.

Finalmente, cabe señalar que, dado que las categorías del Premio Nobel no se han actualizado para reflejar los avances de la nanociencia, se alude a los MOFs como estructuras metal-orgánicas, cuando por sus características, propiedades y aplicaciones, correspondería más adecuadamente denominarlos nanomateriales nanoestructurados.

Lecturas complementarias:

Vacunas con estructuras MOF para infecciones urinarias. https://infobiotecnologia.blogspot.com/2021/11/vacunas-con-estructuras-mof-para.html

Administración de fármacos con nanocristales MOF*Ab.

https://infobiotecnologia.blogspot.com/2021/12/administracion-de-anticuerpos-y.html

Administración de fármacos con nanocristales MOF*Ab

Las estructuras metal-orgánica (MOF/Metal–organic frameworks) son una clase de compuestos que consisten en iones o grupos metálicos coordinados con ligandos orgánicos para formar estructuras unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales. Investigadores australianos, en el artículo Self-Assembly of Oriented Antibody-Decorated Metal-Organic Framework Nanocrystals for Active Targeting Applications, publicado en la revista Advanced Materials, presentan estructuras MOF de Zn-imidazol capaces de unirse a anticuerpos (Ab) y luego estos a potentes fármacos y/o agentes de imágenes (puntos cuánticos) para buscar células enfermas con mayor precisión disminuyendo los efectos adversos en el paciente. 

Crédito: Francesco Carraro y Paolo Falcaro.  Universidad Tecnológica de Graz. Austria.

Es el primer sistema de administración de anticuerpos y fármacos de estructura metal-orgánica con potencial de acelerar-rastrear nuevas y potentes terapias para el cáncer, enfermedades cardiovasculares y autoimunes. La novedosa síntesis de nanocristales MOF monoclonales orientados y “decorados” con anticuerpos (Ab) se realiza en un solo paso. La cristalización  ocurre a partir de una solución de Zn²⁺ y 2-metilimidazol y el MOF es activado por la región cristalizable del fragmento (Fc) del Ab. El crecimiento selectivo produce biocompuestos con Abs orientados en los nanocristales MOF*Ab: las regiones Fc se insertan parcialmente dentro de la superficie del MOF y las regiones de unión al anticuerpo sobresalen de ella hacia el objetivo. La configuración ordenada imparte propiedades de reconocimiento de antígeno-anticuerpo al biocompuesto. También se probó su rendimiento como biosensor cargando MOF*Ab con puntos cuánticos luminiscentes. Se sabe que solo el 0.01 por ciento de la quimioterapia actualmente llega al tejido canceroso; el nuevo método puede aumentar la cantidad de droga que impacta en su objetivo disminuyendo los efectos secundarios y los costos del tratamiento. Con más de 80 anticuerpos monoclonales diferentes aprobados para uso clínico, el presente enfoque tiene un enorme potencial de mejorar su administración y eficiencia controlando el direccionamiento con precisión. .

Lectura complementaria: Self-Assembly of Oriented Antibody-Decorated Metal-Organic Framework Nanocrystals for Active Targeting Applications