Laboratorio de Materiales Biotecnológicos (LaMaBio)

mario-graselli-300x167 (1)graselli-2-300x168 (1)

El Laboratorio nació en la Universidad Nacional de Quilmes (UNQ) en 1999, al instalarse como Investigador del CONICET el Dr. Mariano Grasselli. Inicialmente fue llamado Laboratorio de Bioprocesos y en el año 2004 cambia a su actual nombre, que es oficializado por la Universidad en el año 2010. Un año más tarde es incorporado al IMBICE.

Dentro de sus objetivos se propone el diseño, síntesis y el estudio de materiales poliméricos y su interacción con sustancias biológicas, desde proteínas a organismos vivos, para desarrollar aplicaciones tecnológicas noveles. Es de especial interés el uso de polímeros en el área de los bioprocesos: fermentación, biocatálisis y de recuperación y purificación de productos biológicos.

Los polímeros y sus aplicaciones

Los polímeros son estructuras macromoleculares de gran complejidad, tanto desde el punto de vista físico como químico. Su existencia en la naturaleza permitió lograr la generación de estructuras microscópicas esenciales para el desarrollo de los organismos superiores. Durante los años 1930-1940, con el desarrollo de la industria química, se lograron los primeros polímeros sintéticos. Estos polímeros presentan propiedades físicas (mecánicas, térmicas, eléctricas, entre otras) similares a los polímeros naturales, sin embargo, tienen la ventaja desde el punto de vista químico de presentar una mayor variedad estructural y de poder seleccionar esta estructura en función de las propiedades físicas buscadas.

Una de las razones por las que el desarrollo de polímeros ha crecido de manera exponencial es su bajo costo en la producción industrial, lo que resulta muy competitivo para variadas aplicaciones tanto en el campo de la industria como de la vida diaria. En muchos casos, y en especial en aplicaciones biológicas, los polímeros sintéticos cumplen con los requerimientos físico-químicos necesarios, sin embargo en el desarrollo de productos más sofisticados la interfase del mismo con sistemas biológicos se convierte en un factor limitante. Es por ello que proponemos modificar y estudiar compuestos híbridos sobre la base de estos dos componentes fundamentales.

El LaMaBio tiene experiencia en el uso de la radiación de alta energía sobre polímeros, como es la radiación gamma, electrones acelerados o iones pesados acelerados. Esta tecnología tiene propiedades especiales que no pueden ser reemplazadas por otros métodos de modificación, como la radiación UV, ozono, descarga de plasma o efecto corona, entre otros.

En el LaMaBio se realiza un trabajo multidisciplinario para desarrollar nuevas aplicaciones biotecnológicas de los polímeros en el campo de la salud, agro, industria farmacéutica y de la alimentación, en base a la combinación de materiales poliméricos con sustancias biológicas y/o células y tejidos.

 

En la actualidad el laboratorio tiene tres líneas principales que involucran:

 

  • Modificación superficial de polímeros para aplicaciones biologicas.
  • Inmovilización de células y enzimas en polímeros.
  • Nano-estructuración de materiales poliméricos mediante radiaciones ionizantes.

Dentro de la primera línea se han desarrollado diferentes modificaciones sobre polímeros porosos, como membranas de micro y ultrafiltración, sólidos sinterizados y espumas de poro abierto, para conferirles propiedades adsortivas de proteínas y células. Estos materiales pueden ser utilizados para la recuperación y purificación de proteínas de alta productividad y eficiencia. Los sistemas de membranas adsortivas se presentan como uno de los sistemas cromatográficos en desarrollo de alta productividad más innovadores.

Dentro de la segunda línea se trabaja en la inmovilización de células y/o enzimas sobre materiales poliméricos para el diseño de biocatalizadores de uso industrial con elevada productividad y bajo impacto ambiental basándose en el mejoramiento de materiales (soportes) y la tecnología de ADN recombinante.

Finalmente, en los últimos años hemos incursionado en el estudio y caracterización de nano-estructuras generadas por radiaciones ionizantes: (i) nanopartículas tipo “core/shell” de base inorgánica/proteína para diferentes aplicaciones biológicas y (ii) films de PET y PC con nanocanales perfectos para el desarrollo de sensores ópticos y sistemas de diagnóstico.

 

Integrantes

GRASSELLI, Mariano, Investigador Independiente CONICET – Jefe de Laboratorio

Dra. CARBAJAL, M. Laura, Investigadora Asistente CONICET

Dra. ARBEITMAN, Claudia, Investigadora Asistente CONICET

Dra. KIKOT, Pamela, Investigadora Asistente CONICET

Dra. FLORES, Constanza, Becaria Posdoctoral-CONICET

Dra. SÁNCHEZ, Mirna L., Becaria -CONICET

Lic. SOTO ESPINOZA, Silvia L., Becaria Doctoral- CONICET

Lic. MARTINEZ, Leandro J., Becario Doctoral- CONICET

Lic. ACHILLI, Estefania, Becaria Doctoral- CONICET

Lic. AGUIAR, Constanza, Becaria Doctoral-CONICET

Est. RICHIERI, Florencia, Becaria CIN

 

 

 

Contacto:

 

Dr. Mariano Grasselli

Profesor Titular, Director LaMaBio

Investigador Independiente CONICET (IMBICE)

Departamento de Ciencia y Tecnología

Universidad Nacional de Quilmes

Roque Saenz Peña 352

(B1876BXD) Bernal, Buenos Aires

Argentina

TE: +54 43657100 ext. 5624

FAX: +54 4365 7132

Mariano.grasselli@unq.edu.ar

 

Laboratory of Biotechnology Materials (LaMaBio)

 

Laboratory starts at the National University of Quilmes (UNQ) in 1999, when Dr. Mariano Grasselli establishes as researcher of CONICET. Initially it was called Bioprocess Laboratory and since 2004 changed to its present name and is formalized by the University in 2010. A year later is incorporated into IMBICE.

One of the objectives we propose is the design, synthesis and study of polymeric materials and their interaction with biological substances from living organisms to proteins to develop novel technological applications. Our particular interest is the application of polymers in the area of bioprocesses: fermentation, biocatalysis and recovery and purification of biological products.

Polymers and their applications

The polymers are highly complex macromolecular structures, both physically and chemically. Their existence in nature allows to achieve the generation of microscopic structures essential for the development of higher organisms. Over the years 1930-1940, with the development of chemical industry, is achieved the first synthetic polymers. These polymers have physical properties (mechanical, thermal, electrical, etc.) similar to the natural polymers; however, have the advantage from the standpoint of presenting a greater chemical and structural variety, this structure can be selected depending on the physical properties.

One reason why the development of polymers has grown exponentially is its low cost in industrial production, which is very competitive for various applications in the field of industry and everyday life. In many cases, especially in biological applications, synthetic polymers meet the required physical and chemical properties, however in the development of more sophisticated ones the interface with biological systems becomes a limiting factor. We propose to modify and study hybrid materials based on these two fundamental components.

LaMaBio has experience in the use of high energy radiation on polymers, such as irradiation by gamma rays, accelerated electrons or heavy ions accelerated. This technology has particular properties that can not be replaced by other methods of modification as UV radiation, ozone, plasma discharge or corona, among others. This research is a multidisciplinary work to develop new biotechnological applications of polymers in the field of health, agriculture, pharmaceuticals and food, based on the combination of polymeric materials with biological substances and / or cells and tissues.

Currently laboratory goal has three main lines that include:

– Polymer modification for bioprocesses.

– Immobilization of cells or enzymes onto polymers.

– Synthesis of nanostructured polymeric materials with fluorescent compounds and proteins.

Within the first subject we have developed different modifications on porous polymers, such as micro and ultrafiltration membranes, and sintered open-pore foams, to confer protein adsorptive properties. These materials can be used for recovery and purification of proteins with high productivity and efficiency. Adsorptive membrane systems are presented as chromatographic systems developing high productivity downstream processes.

Within the second working line in the immobilization of cells and / or enzymes on polymeric materials for the design of biocatalysts for industrial use with high productivity and low environmental impact based on improving materials (substrates) and recombinant DNA technology.

Finally, in recent years, we have also studied the synthesis and characterization of polymeric nanostructures; such as nanoparticles and nanochannels, to improve the functional properties of the materials.

 

Members

Prof. GRASSELLI, Mariano, Independent Researcher CONICET – Head of Laboratory

Dr. CARBAJAL, M. Laura, Assistant Researcher CONICET

Dr. ARBEITMAN, Claudia, Assistant Researcher CONICET

Dr. KIKOT, Pamela, Postdoctoral Fellow-CONICET

BSc. QUIROGA, Flavia Y., Doctoral Fellow-CONICET

BSc. SANCHEZ, Mirna L., Doctoral Fellow-CONICET

BSc. SOTO ESPINOZA, Silvia L., Doctoral Fellow-MINCyT

BSc. MARTINEZ, Leandro J., Doctoral Fellow-MINCyT

BSc. ACHILLI, Estefania, Fellow

BSc. AGUIAR, Constanza, Doctoral Fellow-CONICET

Std. ESPOSITO, Giuliana Antonella, Fellow CIN

 

 

 

 

Radiat. Phys. Chem. 81 (2012) 1417–1421.

 

Radiation Synthesis of Seroalbumin Nanoparticles

  1. L. Soto Espinoza, M. L. Sánchez, V. Risso, E. E. Smolko and M. Grasselli

 

Abstract

Synthesis of small polymeric particles can be achieved by ionizing radiation technology via intramolecular crosslinking by gamma rays onto soluble polymer molecules in random coil conformation. Differently soluble globular proteins are naturally densely packed structures. Fragmentation and aggregation processes have been reported for irradiated globular proteins solutions with ionizing radiations.

In this work we describe protein-based nanoparticles prepared by gamma irradiation of a soluble and globular protein, such as seroalbumin, as the basic building blocks keeping its original conformational shape. Protein nanoparticles in the range of 20 to 40 nm were detected after gamma irradiation of the aqueous protein solution in the presence of polar organic solvents. Nanoparticles were characterized by DLS, fluorescence, and UV and CD spectroscopy, showing that the protein molecules keep their general three-dimensional structure into the created nanoparticle.

 

Keywords—nanoparticle, albumin, radiosynthesis

 

Resumen

La síntesis de pequeñas partículas poliméricas se puede lograr mediante la tecnología de radiación ionizante a través de reticulación intramolecular por rayos gamma de polímeros solubles en solución con una conformación aleatoria. Las proteínas globulares solubles son estructuras densamente empaquetadas naturalmente. La irradiación de soluciones de proteínas globulares con radiaciones ionizantes generan procesos de fragmentación y agregación de las mismas. En este trabajo se describe la preparación de nanopartículas preparadas por radiación gamma de una proteína soluble y globular, como la seroalbúmina, ya que estos se comportan como bloques de construcción básicos. Se obtuvieron nanopartículas de proteínas de tamaños en el orden de 20 a 40 nm después de la irradiación gamma de la solución acuosa de proteína en presencia de disolventes orgánicos polares. Las nanopartículas se caracterizaron por DLS, fluorescencia y espectroscopia de UV y CD, que demuestra que las moléculas de proteína mantienen su estructura tridimensional en la nanopartícula creada.

Diapositiva2

Radiat. Phys. Chem. 79 (2010) 241-5

Immobilization of bacteria in microgel grafted onto macroporous polyethylene

  1. A. Trelles, F. Quiroga, C. Britos, E.E. Smolko and M. Grasselli

 

The development of ‘‘Green Chemistry’’ requires new materials to replace the conventional organic chemistry by biological catalysts, to produce fine chemicals in an environmentally friendly manner. Microbial whole cells can be directly used as biocatalysts, providing a simple and cheap methodology since enzyme isolation and purification are avoided. High-density polyethylene (HDPE) is a very stable polymer though it can be activated by gamma radiation to induce grafting. Glycidyl methacrylate was grafted onto macroporous HDPE and PP in the range of 1–6%, proportional to the initial monomer concentration. Grafted polymers were further chemically modified with ethylenediamine to generate a cationic hydrogel of micron-size thickness onto the internal polymer surfaces. Modified polymers were able to immobilize Gram-positive and Gram-negative bacteria that can catalyze a chemical reaction as efficient as free cells do.

Keywords: Simultaneous grafting; Glycidyl methacrylate; Biocatalysis; Polyethylene

 

Resumen

 

El desarrollo de la “Química Verde”’ requiere de nuevos materiales para reemplazar la química orgánica convencional por catalizadores biológicos, para producir productos de química fina de una manera ambientalmente amistosa. Células microbianas completas pueden ser usar directamente como biocatalizadores, proporcionando una metodología sencilla y barata ya que se evitan el aislamiento y purificación de enzimas.

El polietileno de alta densidad (HDPE) es un polímero muy estable aunque puede ser activado por la radiación gamma para inducir modificaciones por injerto. El monómero metacrilato de glicidilo se injertó en HDPE y PP macroporoso en cantidades que fueron entre 1-6%, proporcional a la concentración inicial de monómero. Los polímeros injertados fueron ademas químicamente modificados con etilendiamina para generar un hidrogel catiónico de espesor micrométrico en las superficies internas de los polímeros. Los polímeros modificados fueron capaces de inmovilizar las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas y fueron capaces de catalizar una reacción química de manera tan eficiente como las células libres.

Diapositiva3

  1. Membr. Sci. 321 (2008) 350-355.

High-speed protein purification by adsorptive cation-exchange hollow-fiber cartridges

  1. Ventura, M. Fernandez Lahore, E. E. Smolko and M. Grasselli

 

Abstract

Novel cation-exchange adsorptive membranes were assessed according to their protein adsorption capacity and permeation flowrate. Maximum static adsorption capacities for the three main egg-white proteins, lysozyme, ovoalbumin and conalbumin, were 140, 88 and 66 mg/ml, respectively. However, membranes showed an inverse relationship between permeation flowrate and static protein adsorption capacity. Two size cartridges (membrane volume of 0.42 and 3.5 ml) were built using the selected membrane. An adsorptive cross-flow cartridge was tested to recover and purify lysozyme from an egg-white solution. Breakthrough curves developed using a pure lysozyme solution showed a dynamic-to-static capacity ratio of 0.6, which was reduced to 0.4 during lysozyme recovery from egg-white solution in cross-flow mode. Total process cycle for the enzyme recovery and purification was in the range of 10–15 min for both cartridges. In both cases high-purity lysozyme (95%) was recovered with a productivity of 150 g/(l h) and no size-exclusion effect was detected.

Keywords: Protein purification; Adsorptive hollow-fiber cartridge; Cation-exchange

 

Resumen

Membranas adsorbentes de intercambio catiónico se evaluaron de acuerdo con su capacidad de adsorción de proteínas y el caudal de permeación. Las capacidades estáticas máximas de adsorción para los tres principales proteínas de huevo, lisozima, ovoalbúmina y conalbúmina, fueron 140, 88 y 66 mg / ml, respectivamente. Sin embargo, las membranas mostraron una relación inversa entre el caudal y la capacidad de adsorcion estática de proteínas. Dos tamaños de cartuchos de fibra hueca (volumen de membrana de 0,42 y 3,5 ml) se construyeron utilizando la membrana seleccionada. El cartucho adsortivo fue probado para recuperar y purificar la lisozima a partir de una solución de clara de huevo. La curva de ruptura determinada para una solución de lisozima pura mostró una relación de capacidad dinámica a estática de 0,6, que se redujo a 0,4 durante la recuperación de la lisozima de clara de huevo solución en modo de flujo cruzado. El ciclo del proceso total para la recuperación y purificación de la enzima se realizó en un intervalo de 10-15 min para ambos cartuchos. En ambos casos de alta pureza lisozima (95%) se recuperó con una productividad de 150 g / (L.h) y no se detectó ningún efecto de exclusión molecular por tamaño.

Diapositiva4