Criterios para el diseño de líquidos iónicos de baja toxicidad para aplicaciones biotecnológicas

Resumen

En el contexto actual, el constante desarrollo tecnológico abarca todas las esferas, destacando especialmente la química y la ingeniería química. Esta nueva evolución se enfoca en la creación, desarrollo y aplicación de productos y procesos que sean más respetuosos con el medioambiente, con el entorno, más económicos, y que requieran menos energía y materias primas. En resumen, el objetivo es optimizarlos para lograr maximizar resultados con el menor impacto ambiental posible. Uno de los desafíos cruciales es encontrar alternativas a los disolventes orgánicos convencionales, que no solo tienen un alto coste (alrededor de 6.000 millones de euros al año) sino también efectos perjudiciales para el medio ambiente, la seguridad y la salud. Este escenario ha impulsado significativamente el desarrollo de procesos que hagan uso de disolventes más respetuosos en lugar de los tradicionales. En este contexto, los líquidos iónicos surgen como una alternativa con un gran potencial en diversos campos de la química. Estos nuevos solventes son denominados "verdes" debido a su presión prácticamente despreciable a temperatura ambiente y a que son fácilmente reciclables y reutilizables. Su implementación a nivel industrial podría proporcionar una solución a los problemas relacionados con la emisión de disolventes, la contaminación atmosférica y la generación de residuos. Sin embargo, su introducción en los procesos industriales requiere del conocimiento de su toxicidad por dos razones principales: (i) su efecto sobre la salud de los trabajadores y el medio ambiente y (ii) por su efecto sobre los procesos biotecnológicos, cuando se emplean asociados a microorganismos de uso industrial. Debido a la reciente aparición de los líquidos iónicos, una gran parte de sus parámetros toxicológicos no han sido determinados. Principalmente se disponen de datos básicos de toxicidad. Sin embargo, el análisis racional de la base de datos generada puede permitir un estudio más completo de sus parámetros toxicológicos y una racionalización en el diseño de nuevos líquidos iónicos con el fin de orientarla hacia la obtención de líquidos iónicos más seguros desde un punto de vista toxicológico y desde el punto de vista de su uso industrial, sobre todo biotecnológico. La presente tesis tiene como finalidad el estudio y análisis de la toxicidad de líquidos iónicos sobre organismos representativos de los que se dispone de un importante número de datos de toxicidad, tales como la bacteria marina luminiscente Vibrio fischeri, la pulga de agua Daphnia magna y el alga Pseudokirchneriella subcapitata. La mayoría de estos datos se han obtenido de fuentes bibliográficas. Con todos estos datos se han generado bases de datos que, mediante herramientas estadísticas tipo QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) permitirán relacionar la toxicidad de líquidos iónicos con su estructura química. Estos modelos nos permitirán analizar el mecanismo de toxicidad de los líquidos iónicos, seleccionar los líquidos iónicos con mejores propiedades en cuanto a toxicidad para su aplicación en procesos biológicos y racionalizar nuestros esfuerzos en el diseño de nuevos líquidos iónicos más seguros desde un punto de vista toxicológico. Para la construcción del modelo QSAR se han empleado una “máquina de aprendizaje” denominada PLS “regresión de mínimos cuadrados parciales” proporcionada por paquete XLSTAT de Microsoft. La técnica PLS se ha aplicado sobre un conjunto de cerca de 1.000 datos de toxicidad obtenidos de fuentes bibliográficas desde el año 2000 hasta el año 2023, que nos ha permitido generar los modelos estadísticos con más de 65.000 datos variables en total. En la sección de resultados y conclusiones se han estudiado de forma cualitativa las relaciones entre estructura y toxicidad, lo que nos ha permitido definir los descriptores. Una vez definidos los descriptores se han desarrollado los modelos QSAR para cada microorganismo, previa curación de los datos experimentales, mediante la “máquina de aprendizaje” PLS. Así se han elaborado modelos cualitativos numéricos que nos permita relacionar cuantitativamente la estructura de los líquidos iónicos con su toxicidad hacia Vibrio fischeri, Daphnia magna y Pseudokirchneriella subcapitata. Los resultados obtenidos pueden contribuir al diseño de líquidos iónicos de baja toxicidad y por consiguiente aplicables a procesos biotecnológicos. También nos ha permitido establecer mecanismos generales de toxicidad de los líquidos iónicos.