Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado un nuevo enfoque para hacer biomateriales autoensamblados que se basa en modificaciones de proteínas y temperatura. El enfoque híbrido permite a los investigadores controlar el autoensamblaje con mayor precisión, lo que puede resultar útil para una variedad de aplicaciones biomédicas desdeadministración de medicamentos para la cicatrización de heridas.
La investigación aparece en línea el 19 de marzo en Química de la naturaleza .
Los biomateriales tienen amplias aplicaciones en los campos de la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa y la administración de fármacos. Los materiales basados en proteínas y péptidos son atractivos para estas aplicaciones porque no son tóxicos, son biodegradables y tienen una composición bien definida. Pero estos biomaterialesestán limitados a los 20 aminoácidos que se encuentran en la naturaleza.
Una estrategia para expandir la diversidad química de los materiales basados en proteínas es la modificación postraduccional PTM, un poderoso conjunto de reacciones que la naturaleza usa para transformar químicamente proteínas después de que se sintetizan a partir de genes. PTM puede modificar aminoácidos específicos en proteínaso agregue estructuras no proteicas, como azúcares y ácidos grasos.
"La naturaleza combina diferentes alfabetos químicos para hacer materiales muy sofisticados", dijo Ashutosh Chilkoti, presidente del departamento de BME de Duke y autor principal del artículo. "Una forma de hacerlo es combinando el vocabulario de aminoácidos de las proteínas conotros alfabetos muy diferentes: los azúcares y las grasas son solo dos ejemplos de los muchos cientos de PTM. Como científicos de materiales, no hemos aprovechado los métodos de la naturaleza para fabricar materiales híbridos, y esto sirvió de inspiración para esta investigación ".
Para hacer un material híbrido con propiedades biomédicas útiles, los investigadores del laboratorio de Chilkoti se centraron en crear una serie de polipéptidos modificados con lípidos, también llamados polipéptidos similares a elastina modificados con ácidos grasos, o FAMEs.
Cuando un lípido se fusiona con una secuencia peptídica, las diferentes propiedades físicas del lípido y el péptido dan como resultado la formación de péptidos anfifílicos o AP. Los AP típicos pueden autoensamblarse en diversas estructuras como fibras largas, haciéndolos útiles como andamios paraingeniería de tejidos. Sin embargo, esto ocurre espontáneamente y estos materiales no pueden inyectarse en el cuerpo, sino que deben implantarse.
El equipo de investigación agregó otro biomaterial útil, polipéptido similar a la elastina ELP, porque puede cambiar de un estado soluble a un estado insoluble, o viceversa, dependiendo de la temperatura.
Utilizando tres componentes: un grupo miristoilo lipídico, una secuencia de péptidos formadores de lámina beta y un polipéptido similar a la elastina ELP, los investigadores crearon un biomaterial híbrido, el polipéptido FAME, que cambia de moléculas que flotan en la soluciónen un material sólido, simplemente elevando la temperatura.
"La fijación de lípidos a una secuencia corta de péptidos, típicamente 5-20 aminoácidos, se ha investigado durante muchos años, pero no se ha explorado la combinación de grandes biopolímeros con lípidos", dijo Davoud Mozhdehi, un becario postdoctoral en el laboratorio de Chilkoti."Lo que distingue a las FAME de los PA es la presencia de este biopolímero sensible a la temperatura con una longitud mucho más larga, típicamente 200-600 aminoácidos, en forma de ELP".
"Esa corta secuencia de péptidos beta formadores de láminas solo constituye alrededor del dos por ciento de toda la secuencia", dijo Mozhdehi. "Pero tiene un gran impacto en el comportamiento de autoensamblaje. Este material híbrido retiene la capacidad de respuesta térmica del ELP yel autoensamblaje jerárquico de la AP, creando un material único con comportamiento programable "
"Al combinar un PA con un ELP, obtenemos una molécula que puede pasar de líquido a sólido en segundos con un pequeño aumento de temperatura", dijo Chilkoti. "Esto abre nuevas aplicaciones en medicina, donde estos materiales pueden serinyectado como un líquido que luego se convertiría en sólido dentro del cuerpo "
Esta prueba de concepto se basa en investigaciones previas del laboratorio Chilkoti, en el que los investigadores exploraron nuevas formas de usar enzimas para sintetizar fusiones híbridas de polímeros de lípidos y péptidos entre ELP y lípidos usando la bacteria E. coli.
"Otros habían descubierto previamente que se puede extraer una enzima específica de las células eucariotas complejas y hacer que funcione en E. coli", dijo Kelli Luginbuhl, científica investigadora en el laboratorio de Chilkoti. "Normalmente, esta enzima fija permanentementeel grupo de lípidos a una proteína, y teníamos curiosidad sobre si podríamos usar la enzima para fabricar materiales híbridos de lípidos y biopolímeros. Cuando Davoud Mozhdehi se enteró de este proyecto, tuvo la idea de incorporar una secuencia de péptidos de dirección de estructura corta en la mezcla ".
Los investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros ayudaron al equipo de Duke a completar la caracterización avanzada de materiales. "Al enterarse de las múltiples estructuras formadas por estos polímeros biomanufacturados, estábamos muy entusiasmados de participar en este proyecto colaborativo para dilucidar aún más el mecanismo deLa formación de agregados e hidrogel provocada por la temperatura en estos materiales ", dijo el equipo de Max Planck en un comunicado." Nuestra contribución de la microscopía de fuerza atómica de alta resolución y dependiente de la temperatura y la espectroscopía dependiente de la temperatura complementaron muy bien el trabajo del grupo Duke, yjuntos pudimos descifrar las transformaciones moleculares mediante las cuales estos biopolímeros únicos forman materiales jerárquicos "
"Estos componentes básicos son conocidos en el campo y ahora hemos demostrado que combinarlos formando enlaces covalentes, da como resultado propiedades sinérgicas y autoensamblaje", dijo Mozhdehi. "Esperamos expandir este método a otros lípidos y proteínas ydesarrollar nuevas herramientas y materiales para las aplicaciones biomédicas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Michaela Kane. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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