Fig 1. Un dibujo que muestra un haz de filamentos peptídicos de 10 nanómetros de diámetro colocados en una matriz hexagonal. Fenómenos similares pueden ocurrir naturalmente en los citoesqueletos de las células, la córnea del ojo, y otras áreas de la biología. El recuadro (en la parte inferior derecha) representa la estructura molecular de los filamentos individuales. (Imagen cortesía de S.I. Stupp.)
(PhysOrg.com) - Los experimentos a veces pueden conducir al descubrimiento de fenómenos completamente inesperados. Tal es el caso del notable comportamiento que exhiben las nanoestructuras peptídicas (en forma de filamentos supramoleculares) observado durante los experimentos llevados a cabo por investigadores de la Northwestern University en la línea de luz 5-ID del DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT). Centro de Investigación de Sincrotrones en la Fuente de Fotones Avanzados (APS) del Departamento de Energía de EE. UU. En el Laboratorio Nacional de Argonne.
Según el profesor Samuel Stupp, autor principal del estudio publicado recientemente en Ciencias , mientras "intentaba dilucidar la organización jerárquica de las nanoestructuras de péptidos", su equipo descubrió que cuando se dispersa en agua, esas nanoestructuras filamentosas podrían organizarse en paquetes empaquetados hexagonalmente. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que a concentraciones suficientemente altas en solución, los filamentos podrían autoensamblarse espontáneamente en estructuras cristalinas (los haces empaquetados hexagonalmente). Aún más sorprendente fue el hallazgo de que los rayos X utilizados para sondear las nanoestructuras a veces también desencadenaban la cristalización del filamento. Este trabajo puede afectar nuestra comprensión de las nanoestructuras en los sistemas biológicos y nuestra capacidad para controlar la estructura de los materiales.
Los filamentos utilizados para esta investigación poseían diámetros de alrededor de 10 nanómetros y longitudes del orden de decenas de micrómetros. Los filamentos se derivaron de una molécula sintética que contiene una secuencia de péptidos corta. Los péptidos son compuestos que contienen dos o más aminoácidos. Aquí, la secuencia de péptidos constaba de seis moléculas de aminoácidos de alanina unidas a tres moléculas de ácido glutámico - abreviado Ala 6 Glu 3 - que a su vez fue injertado en una molécula de alquilo. Las “supramoléculas” resultantes se autoensamblaron en agua para formar los filamentos.
Se diseñó una secuencia de experimentos para revelar la disposición de los filamentos dispersos en agua. Se colocaron diferentes concentraciones acuosas de los filamentos dentro de pequeños capilares de cuarzo de 2 mm de diámetro y se estudiaron utilizando dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en la línea de luz DND-CAT. Las concentraciones oscilaron entre el 0,5 y el 5 por ciento en peso. Los datos de SAXS revelaron que todas las concentraciones de filamentos se agregaron en haces que exhibían un empaque hexagonal (ver Fig. 1). La organización de los filamentos en haces empaquetados hexagonalmente (es decir, cristalización) es bastante notable. Pero aún más notable fue la observación de que la mayor concentración de filamentos (2 y 5 por ciento en peso) cristalizó espontáneamente, mientras que las soluciones de menor concentración (0,5 y 1 por ciento en peso) cristalizaron sólo mediante exposición a rayos X.
Según el profesor Stupp, la cristalización de los filamentos, ya sea por autoensamblaje o por exposición a rayos X, constituyen fenómenos que “no hemos visto antes” en otros sistemas supramoleculares. Stupp también observó que "al hacer los experimentos en el sincrotrón APS, nos sorprendió descubrir que los rayos X podían promover la cristalización ".
Una característica fascinante de la cristalización inducida por rayos X fue la reversibilidad del proceso, que era realmente visible. Usando la solución al 1 por ciento en peso, 200 segundos acumulativos de irradiación de rayos X volvieron opaca la solución inicialmente transparente, indicando cristalización. Después del cese de los rayos X, la opacidad de la solución disminuyó lentamente hasta que volvió a aclararse en unos 40 minutos, indicando un regreso al desorden. Un experimento SAXS de seguimiento expuso la solución a una serie de ráfagas de rayos X de 4 segundos. Los datos experimentales mostraron que los filamentos inicialmente desordenados (revelados por la primera exposición de 4 segundos) gradualmente experimentaron un cambio a haces de filamentos ordenados hexagonalmente como se registró durante las últimas exposiciones de rayos X. Cuando el experimento se repitió dos horas después, Los datos de SAXS revelaron que los filamentos estaban nuevamente desordenados:la estructura cristalina había desaparecido.
Los investigadores consideraron si factores extraños podrían haber contribuido al pedido de filamentos. Los rayos X intensos pueden crear nuevos compuestos químicos dentro de una solución debido a la ionización, además de producir un calentamiento sutil. Sin embargo, pruebas posteriores de las soluciones filamentosas mostraron que ni las especies químicas no deseadas, ni efectos térmicos, había jugado un papel en las cristalizaciones espontáneas o provocadas por rayos X.
En cuanto al mecanismo básico responsable de la cristalización, los investigadores prevén que la estabilidad a largo plazo de los dominios cristalinos es un equilibrio entre dos tensiones opuestas:las cargas eléctricas que residen en los filamentos (nativos o inducidos por irradiación de rayos X) tienden a separar los haces filamentosos, mientras que el atrapamiento de filamentos dentro de la red más grande conduce a una compresión mecánica hacia adentro.
Los datos experimentales revelaron que a medida que aumentaba la concentración de filamentos, el número de filamentos dentro de los paquetes también aumentó, hasta que una concentración crítica de filamentos dio como resultado su disposición hexagonal espontánea dentro de los haces (es decir, cristalización). Por otra parte, concentraciones de filamentos más bajas, incapaces de cristalizar espontáneamente, solo podían hacerlo cuando los rayos X aumentaban la densidad de carga en las superficies de los filamentos, cambiando así el equilibrio de las fuerzas entre filamentos a favor de la cristalización.
El mismo mecanismo que creó sus redes filamentarias cristalinas artificiales bien podría estar funcionando en las células biológicas, lo que llevó al profesor Stupp a observar que “esta investigación podría ayudarnos a comprender la organización de las nanoestructuras en los sistemas biológicos, y también puede tener aplicaciones en el control de la estructura de materiales ".
