Utilizzo di liquidi ionici per isolamento di sporopollenina

Con il termine di polline (microspora o granulo pollinico) si indica in botanica, in riferimento alle piante in grado di riprodursi attraverso un seme, l’insieme dei gametofiti maschili immaturi che si presentano sotto forma di polvere di colore giallo. Nelle Angiosperme il polline è contenuto nelle antere all’interno di un fiore, la parte fertile dello stame, mentre nelle Gimnosperme il polline si trova all’interno dei coni maschili (o strobili maschili). I pollini sono protetti da un muro a doppio strato notevolmente complesso e robusto. Lo strato interno di questo muro, l’intina, è costituito principalmente da cellulosa e pochi altri polisaccaridi. Il guscio esterno, l’esina, è costituito in gran parte da sporopollenina, uno dei materiali organici più resistenti conosciuti. La parte più esterna dell’esina è detta sexina ed è formata da calumellae che sorreggono un tectum. Rappresenta una porzione caratteristica dei vari tipi di polline e può presentare strutture, ornameni e disegni diversi sulla sua superficie. A livello dell’esina, dei pori e delle intine sono presenti enzimi, proteine, glicoproteine che servono al granulo per farsi riconoscere dalla parte femminile del fiore e proprio a queste ultime sono imputabili i fenomeni allergici, caratteristici dei pollini. Quattro biomacromolecole sono particolarmente resistenti alla maggior parte dei trattamenti chimici: lignina, cutina, alghe e sporopollenine. Tra questi, i biomateriali più resistenti in assoluto, la cui composizione non è ancora completamente nota sono senza dubbio le sporopollenine. Questa incapacità di determinare esattamente la struttura può dipendere dalla fase di sviluppo e dalla fonte di recupero, a causa delle differenze significative nei gradi di polimerizzazione, saturazione, reticolazione o nella proporzione e ordine dei monomeri che la compongono, ed è per questo definita come eteropolimero. La loro resistenza può essere ulteriormente confermata dalla sopravvivenza di alcune sporopollenine sempre intatte in rocce sedimentarie che risalgono a 500 milioni di anni fa, considerando che i componenti citoplasmatici, genetici e polisaccaridici vengono sistematicamente distrutti dalla diagenesi (processo di fossilizazione). Le esine invece rimangono invariate e continuano a far parte del sedimento organico stesso, mantenendo forma e appunto struttura. Questo ci dà una dimostrazione di quanto la sporopollenina sia resistente ad alte pressioni, sollecitazioni meccaniche e decadimento biologico. Sporopollenina è un concetto più chimico che biologico, definito inizialmente come materiale non solubile e resistente all’acetolisi e dal momento che le differenze sono apprezzate anche da specie a specie, la parola sporopollenina si riferisce in realtà alla famiglia di composti polimerici naturali che prevalentemente costituiscono il polline e che riescono a resistere anche dopo trattamenti fisici, chimici e biologici aggressivi. Il primo tentativo di trattamento chimico sulla sporopollenina risale ad uno studio del 1814. Può essere utilizzata in molti campi, quali la sintesi organica in fase solida, in quanto si è stabilito che ammoniaca, ammine alifatiche primarie, aniline formano legami ammidici con gruppi carbossilici di sporopollenina. C’è la possibilità di funzionalizzare con bromo e cloro mediante aggiunta ai gruppi funzionali insaturi, sostituzione dei gruppi ossidrilici e cloro-metilazione degli anelli aromatici. Gli atomi di alogeno allegati sono stati poi sostituiti con successo da azidi e tioli e quindi è stata valutata la disponibilità del derivato tiolico per SN e formazione di ponti disolfuro. Tutte le reazioni sopradescritte, prendono il nome di funzionalizzazioni e permettono di attaccare e modificare la superficie della struttura di sporopollenina al fine di creare linker (leganti) per l’attacco di molecole, come farmaci, nutraceutici, integratori alimentari e altri prodotti di vario tipo. Inoltre le sporopollenine sono capaci di assorbire all’interno della loro struttura e sulla loro superficie metalli pesanti presenti in acque contaminate. Sono state studiate come materiali naturali bioassorbenti in grado di rimuovere l’inquinamento delle acque da parte di questi ioni che pongono rischi ad organismi viventi, accumulandosi nella catena alimentare a causa della loro mobilità, stabilità e non biodegradabilità. Rifiuti di ioni di metalli pesanti provengono principalmente da reflui industriali, come l’industria mineraria, tessile e elettronica. In realtà, i pollini non sono solo utilizzati come fonte di sporopollenina ma anche come fonte di microcapsule per uso farmaceutico. Queste microcapsule sono infatti in grado di attraversare le membrane corporee e, una volta nel circolo sanguigno, sono degradate completamente, permettendo così il rilascio del principio attivo. La successiva eliminazione avviene mediante il legame con anticorpi circolanti, pertanto sono facilmente eliminate dai fluidi corporei o dai tessuti da parte dei macrofagi. Sulla base di quanto esposto precedentemente, il lavoro svolto in questa tesi ha avuto come primo obiettivo quello di selezionare il liquido ionico (IL) e il trattamento più idoneo per ottenere sporopollenina pura ed intatta. A questo proposito sono stati valutati undici IL diversi e diverse condizioni di reazione, temperatura e tempi di reazione. I campioni sono stati poi analizzati tramite spettroscopia IR mentre la morfologia è stata valutata mediante l’utilizzo della microscopia. L’obiettivo iniziale era quello di trovare un procedimento atto ad ottenere sporopollenina essenzialmente intatta, tramite l’utilizzo di liquidi ionici, che fosse priva di materiale citoplasmatico, proteico e polisaccaridico che caratterizza la struttura del polline maturo e originario, al fine di ottenere microcapsule di sporopollenina intatta, morfologicamente simile al polline di partenza. Il secondo obiettivo di questa tesi include la derivatizzazione e quindi la funzionalizzazione della sporopollenina prodotta. Mantenere la morfologia del polline di partenza è molto importante in modo da riuscire a mantenere la monodispersità, caratteristica del polline di partenza, e l’omogenità in dimensioni e peso (quando si tratta di pollini della stessa specie e con ugual origine); questo permette il suo utilizzo sotto forma di microcapsule cave in grado di essere caricate opportunamente con farmaci o altre sostanze clinicamente utili, che devono essere veicolate all’interno del nostro organismo o all’esterno (ad esempio, su pelle) oppure per veicolare sostanze sensibili all’ossidazione o alla luce solare, che necessitano di una protezione per essere utilizzate. L’obiettivo finale del corrente lavoro di tesi e delle funzionalizzazioni effettuate è stato quello di utilizzare sporopollenina come veicolo per reazioni comunemente descritte come facenti parte della Click chemistry. Questa tipologia di chimica ricorda molto la natura e la capacità della stessa di produrre e sintetizzare sostanze anche molto complesse, partendo da molecole piccole e semplici. La reazione da noi utilizzata è stata la reazione di cicloaddizione di Huisgen azide-alchino, in particolare la variante catalizzata da Cu (I). Questa reazione è una cicloaddizione 1,3-dipolare tra una azide e un alchino terminale od interno, per formare un 1,2,3 triazolo; essa viene definita come un esempio perfetto di Click chemistry. In conclusione possiamo affermare che sporopollenina rappresenta un importante risorsa naturale, da poter utilizzare e sfruttare in diversi campi. Gli studi da me svolti durante il mio lavoro di tesi possono quindi essere considerati un ottimo punto di partenza per poter sviluppare in maniera ottimale diverse applicazioni della sporopollenina