Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado que pueden crear materiales estables a partir de proteínas desordenadas diseñadas mediante la alteración de los desencadenantes ambientales que provocan transiciones de fase.
Este descubrimiento arroja luz sobre comportamientos previamente inexplorados de proteínas desordenadas y permite a los investigadores crear materiales novedosos para aplicaciones en administración de fármacos, ingeniería de tejidos, medicina regenerativa y biotecnología.
La investigación apareció en línea el 18 de octubre en Avances científicos .
Las proteínas funcionan al plegarse en formas tridimensionales que interactúan con diferentes estructuras biomoleculares. Los investigadores creían anteriormente que las proteínas debían plegarse en una forma fija específica para funcionar, pero en las últimas dos décadas, los ingenieros buscaron crear nuevos materiales paraLas aplicaciones biomédicas han dirigido su atención a las proteínas intrínsecamente desordenadas, llamadas IDP, que cambian dinámicamente entre una amplia gama de estructuras.
Los IDP son especialmente útiles para fines biomédicos porque pueden experimentar transiciones de fase, cambiando de un líquido a un gel, por ejemplo, o de un estado soluble a un insoluble, y viceversa, en respuesta a desencadenantes ambientales, como cambios entemperatura. Esta capacidad ha convertido a los IDP en una herramienta para el suministro de medicamentos a largo plazo, ya que los IDP pueden inyectarse en forma líquida en el cuerpo y luego solidificarse en un depósito de gel que libera lentamente la medicación.
Pero si bien su estructura flexible hace que los IDP sean útiles en una variedad de aplicaciones, los investigadores pensaron anteriormente que esta flexibilidad limitaba la estabilidad de los materiales resultantes.
En su trabajo reciente, Ashutosh Chilkoti, presidente de Duke Biomedical Engineering, y Felipe García Quiroz, un graduado de doctorado en el laboratorio Chilkoti que es becario postdoctoral en la Universidad Rockefeller, demuestran que pueden ajustar con precisión la estabilidad deMateriales basados en IDP controlando la rapidez con la que los IDP se asocian y disocian en respuesta a las señales ambientales.
"A diferencia de las proteínas bien plegadas, los IDP convencionales tienen dificultades para proteger diferentes partes de sus estructuras entre sí", dijo Quiroz. "Entonces, a medida que los IDP se vuelven más abundantes en una solución, comienzan a chocar y chocar con frecuencia, con algunos desus estructuras expuestas se pegan débilmente y se rompen rápidamente "
Si la tasa de asociación y disociación es igual, el IDP está en equilibrio y no sufre ningún cambio de comportamiento. Pero si algo cambia en el entorno, como la temperatura, los segmentos de los IDP se mantienen unidos por períodos más largos de tiempo.tiempo, y se separan con menos frecuencia, lo que resulta en una transición de fase de un estado soluble a uno insoluble que puede aprovecharse para construir materiales.
Sin embargo, al eliminar el estímulo ambiental, los desplazados internos convencionales vuelven a exhibir asociaciones muy débiles y los materiales previamente ensamblados se desmoronan.
En su nuevo trabajo, Chilkoti y Quiroz crearon materiales utilizando IDP recientemente diseñados que cambian de fase a diferentes temperaturas, y demostraron que tras la separación de fases, estos IDP quedan fuera de su comportamiento de equilibrio habitual. Esto desencadena un proceso conocido como histéresis,en el que los IDP se mantendrán unidos incluso si se elimina el desencadenante ambiental de la transición de fase inicial.
"Lo que es emocionante de nuestro nuevo trabajo es que hemos demostrado que podemos marcar el grado de histéresis para identificar diseños en los que estas proteínas se unirán fácilmente, y una vez que surjan esas asociaciones, se hace muy difícil romperlas,"Dijo Quiroz." Los IDP generalmente se consideran débilmente pegajosos, pero ahora mostramos que es posible diseñar IDP súper pegajosos, que se convierten en bloques de construcción muy estables ".
"Esa súper pegajosidad solo surge después de que aplicamos un activador ambiental, por lo que de otra manera se comportan como desplazados internos regulares y no tenemos que preocuparnos por su pegajosidad mientras los manejamos", dijo Quiroz. "Desde una perspectiva de materiales, muchos denuestros materiales favoritos son aquellos que son fáciles de preparar, pero que pueden madurar rápidamente a un estado altamente estable y difícil de interrumpir. El cemento es un gran ejemplo de esto ".
Quiroz dijo que, al mostrar que podrían hacer un material altamente estable con IDP, podrían desarrollar trabajos anteriores con IDP en campos como la medicina regenerativa. Por ejemplo, en su forma líquida, los IDP pueden fluir hacia la cavidad de una herida, adoptarsu forma y luego se transforman en un gel para proporcionar soporte estructural y reclutar células clave para la reparación de tejidos.
Debido a que los materiales actuales basados en IDP carecen de estabilidad, su efecto es de corta duración ya que se erosionan con bastante rapidez, pero este nuevo enfoque podría hacer que los IDP sean una buena fuente de nuevos materiales para la curación de heridas.
"Los desplazados internos han tenido un conjunto de características conocidas, y hemos estado trabajando dentro de ese rango de características para explorar posibles aplicaciones biomédicas durante las últimas dos décadas", dijo Quiroz. "Pero ahora esencialmente tenemos nuevas herramientas para jugar, yeso nos permite ser más creativos. Nuestro descubrimiento agrega complejidad a lo que podemos hacer con materiales basados en IDP para aplicaciones que abarcan la ciencia de los materiales y la biología, lo cual es emocionante ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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