Marcado de nanocelulosa para microscopía de fluorescencia

Marcado de nanocelulosa para microscopía de fluorescencia


En un artículo publicado en la revista biomacromoléculasdesarrolló un método de dos pasos flexible y eficaz centrado en la química de clics de triazina y azida-alquino para el etiquetado fluorescente de celulosa a nanoescala para su uso en aplicaciones de microscopía.

Marcado de nanocelulosa para microscopía de fluorescencia de alto rendimiento​​​​​​

​​​​​​Estudio: Etiquetado eficiente de nanocelulosa para aplicaciones en microscopía de fluorescencia de alta resolución. Crédito: Pan Xunbin/Shutterstock.com

El enorme potencial de los nanomateriales de celulosa

La celulosa, un componente principal de la pared celular de las plantas, es el biopolímero estructurado más disponible en el planeta y se usa ampliamente en las industrias de arquitectura, telas y papel. Nanopartículas de celulosa cristalina generadas a partir de biomasa, como B. Los nanocristales de celulosa (CNC) y las nanofibrillas de celulosa (CNF) tienen una excelente estabilidad térmica, resistencia a la tracción y área específica.

Debido a sus propiedades únicas, las celulosas sostenibles a nanoescala ya se están utilizando en áreas como la ingeniería de tejidos, la nanomedicina, los biosensores, los polímeros biodegradables, el almacenamiento de energía y la purificación de agua.

Visualización de redes de nanocelulosa mediante microscopía de fluorescencia

A menudo se requiere visualizar la dispersión y la dinámica de la nanocelulosa en marcos complicados para implementar nanocelulosas en entornos reales. Cuando las nanocelulosas son luminosas, se pueden utilizar métodos de microscopía de fluorescencia para visualizar nanofibras y nanopartículas dentro de redes tridimensionales debido a su sensibilidad y selectividad.

Según un estudio anterior, cada vez que se utilizan CNC fluorescentes como portadores de fármacos, se puede seguir su absorción por los macrófagos y las células embrionarias y observar su distribución biológica en los tejidos. La técnica microscópica confocal se utilizó para estudiar la dispersión de los CNC y su asociación con otros elementos en biocompuestos emergentes, como los hidrogeles de polímeros estructurales CNC y los andamios de polímeros de proteínas CNC.

La celulosa fluorescente también se utilizó para estudiar los efectos del pretratamiento en la morfología, la disponibilidad y la despolimerización activada por enzimas de la celulosa a altas resoluciones, lo que contribuyó a la formulación de técnicas eficaces de conversión de biomasa.

Sin embargo, las técnicas modernas de escaneo, como la generación de imágenes multifotónicas, de láminas de luz y de superresolución, rara vez se utilizan en la investigación de la celulosa. Esto se debe en parte a la falta de formas simples, rápidas y económicas de etiquetar con fluorescencia las nanocelulosas sin afectar sus propiedades intrínsecas.

Desafíos relacionados con la obtención de imágenes por fluorescencia de nanocelulosa

La dificultad para identificar la celulosa en su estado original se deriva de su naturaleza químicamente inerte e insoluble. La celulosa consta de grupos poliméricos lineales β-1→4-anhidroglucosa (glucano) que se forman en fibrillas cristalinas densamente empaquetadas que son insolubles en agua debido a una extensa red de enlaces de hidrógeno.

De acuerdo con las técnicas de etiquetado fluorescente documentadas, los grupos hidroxilo moderadamente reactivos en la superficie de la celulosa a menudo se derivatizan con grupos maleimida, amina o N-hidroxisuccinimida que reaccionan con fracciones adicionales en pigmentos disponibles comercialmente, y el etiquetado se realiza como una respuesta no homogénea. .

Dado que la mayoría de estos enfoques se basan en intercambios de disolventes naturales que pueden promover la aglomeración de nanocelulosa, se han utilizado fluoróforos sustituidos con triazinilo e hidracina para desarrollar métodos de etiquetado acuosos de un solo paso. La diclorotriazinilaminofluoresceína (DTAF), un fluoróforo comúnmente disponible que se ha utilizado para etiquetar CNC, CNF y celulosa bacteriana (BC), es el pigmento más utilizado en estos procesos.

Este método de marcaje es ineficiente ya que compite con los procesos de hidrólisis en condiciones acuosas, que requieren un exceso sustancial de DTAF para obtener concentraciones de marcaje significativas. La mala eficiencia de etiquetado de DTAF combinada con su fotoestabilidad insuficiente también ha dificultado su uso en microscopía de fluorescencia de alta resolución.

Aspectos destacados del estudio

En este estudio, los investigadores desarrollaron técnicas de etiquetado eficaces basadas en enlazadores de triazina que les permitieron realizar imágenes de fluorescencia de alta resolución en una variedad de materiales de nanocelulosa. En primer lugar, se informó sobre la preparación de un pigmento novedoso a base de triazina, la diclorotriaznilpiperazinerhodamina (DTPR), que permite marcar la celulosa con un potente fluoróforo en un solo paso.

A continuación, se utilizó un proceso químico de clic y triazina de dos pasos para etiquetar la nanocelulosa, lo que evitó la fabricación complicada y redujo los costos de etiquetado. En particular, la segunda fase requería una reacción de clic efectiva que pudiera realizarse con cualquier pigmento comúnmente disponible con actividad de azida. Esto permitió el uso de un conjunto diverso de fluoróforos en la investigación de la celulosa.

Gracias a la capacidad de etiquetar materiales de celulosa en diversos grados mientras se conservan las propiedades originales de la nanocelulosa, este enfoque se puede utilizar para etiquetar celulosa para una variedad de investigaciones basadas en fluorescencia y fines de escaneo.

La versatilidad de la química de las triazinas también se puede utilizar para construir enlazadores bifuncionales que permiten el etiquetado de pigmentos de nanocelulosa con fines de visualización al tiempo que introducen una segunda actividad que se puede utilizar para unir, reticular o capturar.

Los enfoques presentados pretenden revelar vías de etiquetado para la visualización de nanopartículas de celulosa, que se utilizan en una variedad de aplicaciones.

referencia

Babi M, Fatona A, Li X, Cerson C, Jarvis VM, Abitbol T y Moran-Mirabal JM (2022). Etiquetado eficiente de nanocelulosa para aplicaciones de microscopía de fluorescencia de alta resolución. biomacromoléculas. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c01698

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