Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado un nuevo enfoque para fabricar biomateriales autoensamblados que se basa en modificaciones de proteínas y temperatura. El enfoque híbrido permite a los investigadores controlar el autoensamblaje con mayor precisión, que puede resultar útil para una variedad de aplicaciones biomédicas, desde la administración de fármacos hasta 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, medicina regenerativa y administración de fármacos. Los materiales a base de proteínas y péptidos son atractivos para estas aplicaciones porque no son tóxicos, biodegradables y de composición bien definida. Pero estos biomateriales se limitan 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 utiliza la naturaleza para transformar químicamente las proteínas después de que se sintetizan a partir de genes. PTM puede modificar aminoácidos específicos en proteínas o agregar estructuras no proteicas, como azúcares y ácidos grasos.

"La naturaleza combina diferentes alfabetos químicos para fabricar materiales muy sofisticados, "dijo Ashutosh Chilkoti, el presidente del departamento de BME en Duke y autor principal del artículo. "Una forma de hacerlo es combinando el vocabulario de aminoácidos de las proteínas con otros alfabetos muy diferentes; los azúcares y las grasas son solo dos ejemplos de los muchos cientos de tales PTM. Como científicos de materiales, no hemos aprovechado los métodos de la naturaleza para fabricar materiales híbridos, y esto proporcionó la inspiración para esta investigación ".

Para hacer un material híbrido con propiedades biomédicas útiles, 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 FAME.

Cuando un lípido se fusiona con una secuencia de péptidos, las diferentes propiedades físicas del lípido y el péptido dan como resultado la formación de péptidos anfífilos, o PA. Los PA típicos pueden autoensamblarse en diversas estructuras como fibras largas, haciéndolos útiles como andamios para la ingeniería de tejidos. Sin embargo, esto sucede de forma espontánea y estos materiales no se pueden inyectar en el cuerpo, sino que deben implantarse.

El equipo de investigación agregó otro biomaterial útil, polipéptido similar a 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 hojas beta, y un polipéptido similar a la elastina (ELP):los investigadores crearon un biomaterial híbrido, el polipéptido FAME, que cambia de moléculas flotando en solución a un material sólido, simplemente elevando la temperatura.

"Unión de lípidos a una secuencia corta de péptidos, típicamente 5-20 aminoácidos, han sido investigados durante muchos años, pero no se había explorado la combinación de grandes biopolímeros con lípidos, "dijo Davoud Mozhdehi, becario postdoctoral en el laboratorio de Chilkoti. "Lo que distingue a los FAME de los AP 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 secuencia de péptidos formadores de láminas beta corta solo representa aproximadamente el dos por ciento de la secuencia completa, ", Dijo Mozhdehi." Pero tiene un gran impacto en el comportamiento de autoensamblaje. Este material híbrido conserva la capacidad de respuesta térmica del ELP y el autoensamblaje jerárquico del PA, 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 inyectarse como un líquido que luego se convertiría en sólido dentro del cuerpo ".

Esta prueba de concepto se basa en investigaciones previas del laboratorio de Chilkoti, en el que los investigadores exploraron nuevas formas de utilizar enzimas para sintetizar fusiones híbridas de polímero de lípidos y péptidos entre ELP y lípidos utilizando la bacteria E. coli.

"Otros habían descubierto previamente que se puede extraer una enzima específica de células eucariotas complejas y hacer que funcione en E. coli". "dijo Kelli Luginbuhl, un científico investigador en el laboratorio de Chilkoti. "Normalmente, esta enzima une permanentemente un grupo de lípidos a una proteína, y teníamos curiosidad por saber si podíamos utilizar 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 breve de péptidos que dirijan la estructura en la mezcla ".

Los investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros ayudaron al equipo de Duke a completar la caracterización avanzada del material. "Al enterarse de las múltiples estructuras formadas por estos polímeros biomanufacturados, estábamos muy emocionados de participar en este proyecto de colaboración para dilucidar aún más el mecanismo de formación de agregados y hidrogel desencadenado por la temperatura en estos materiales, ", dijo el equipo de Max Planck en un comunicado." Nuestra contribución de la temperatura dependiente, La microscopía de fuerza atómica de alta resolución y la espectroscopía dependiente de la temperatura complementaron muy bien el trabajo del grupo Duke, y juntos pudimos descifrar las transformaciones moleculares mediante las cuales estos biopolímeros únicos forman materiales jerárquicos ".

"Estos bloques de construcción 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 y desarrollar nuevas herramientas y materiales para las aplicaciones biomédicas ".