Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke y la Universidad de Washington en St. Louis han demostrado que, inyectando una proteína artificial hecha de una solución de segmentos ordenados y desordenados, se forma un andamio sólido en respuesta al calor corporal, y en unas pocas semanas se integra perfectamente en el tejido.

La capacidad de combinar estos segmentos en proteínas con propiedades únicas permitirá a los investigadores controlar con precisión las propiedades de nuevos biomateriales para aplicaciones en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa.

La investigación aparece en línea el 15 de octubre en la revista Materiales de la naturaleza .

Las proteínas funcionan al plegarse, como origami, e interactuar con estructuras biomoleculares específicas. Los investigadores creían anteriormente que las proteínas necesitaban una forma fija para funcionar, pero durante las últimas dos décadas ha habido un interés creciente en las proteínas intrínsecamente desordenadas (IDP). A diferencia de sus contrapartes bien dobladas, Los desplazados internos pueden adoptar una gran cantidad de estructuras distintas. Sin embargo, estas preferencias estructurales no son aleatorias, y los avances recientes han demostrado que existen reglas bien definidas que conectan la información en las secuencias de aminoácidos de los desplazados internos con las colecciones de estructuras que pueden adoptar.

Los investigadores han planteado la hipótesis de que la versatilidad en la función de las proteínas se puede lograr uniendo proteínas bien dobladas con IDP, como si fueran collares de perlas. Esta versatilidad es obvia en materiales biológicos como fibras musculares y de seda, que están hechos de proteínas que combinan regiones ordenadas y desordenadas, permitiendo que los materiales exhiban características como la elasticidad del caucho y la resistencia mecánica del acero.

Los desplazados internos son fundamentales para la función celular, y muchos ingenieros biomédicos han concentrado sus esfuerzos en un IDP extremadamente útil llamado elastina. Una proteína muy elástica que se encuentra en todo el cuerpo, la elastina permite que los vasos sanguíneos y los órganos, como la piel, útero y pulmones:para volver a su forma original después de estirarlos o comprimirlos. Sin embargo, la creación de elastina fuera del cuerpo resultó ser un desafío.

Entonces, los investigadores decidieron adoptar un enfoque de ingeniería reduccionista para el problema.

"Teníamos curiosidad por ver qué tipos de materiales podíamos fabricar añadiendo orden a una proteína que de otro modo sería muy desordenada". "dijo Stefan Roberts, un doctorado estudiante en el laboratorio de Chilkoti y primer autor del artículo.

Debido a los desafíos del uso de elastina en sí, el equipo de investigación trabajó con polipéptidos similares a elastina (ELP), que son proteínas completamente desordenadas hechas para imitar trozos de elastina. Los ELP son biomateriales útiles porque pueden sufrir cambios de fase:pasar de un estado soluble a uno insoluble, o viceversa, en respuesta a cambios de temperatura. Si bien esto hace que estos materiales sean útiles para aplicaciones como la administración de medicamentos a largo plazo, su comportamiento similar al líquido les impide ser andamios eficaces para aplicaciones de ingeniería de tejidos.

Pero al agregar dominios ordenados a los ELP, Roberts y el equipo crearon proteínas "Frankenstein" que combinan dominios ordenados y regiones desordenadas que conducen a las llamadas proteínas parcialmente ordenadas (POP), que están equipados con la estabilidad estructural de proteínas ordenadas sin perder la capacidad de los ELP de volverse líquidos o sólidos a través de cambios de temperatura.

Diseñado como un fluido a temperatura ambiente que se solidifica a la temperatura corporal, estos nuevos biomateriales forman un establo, Andamio poroso cuando se inyecta que se integra rápidamente en el tejido circundante con mínima inflamación y promueve la formación de vasos sanguíneos.

"Este material es muy estable después de la inyección. No se degrada rápidamente y mantiene su volumen realmente bien, lo cual es inusual para un material a base de proteínas, ", Dijo Roberts." Las células también prosperan en el material, repoblar el tejido en la zona donde se inyecta. Todas estas características podrían convertirlo en una opción viable para la ingeniería de tejidos y la cicatrización de heridas ".

Aunque el andamio creado por el POP era estable, el equipo también observó que el material se volvería a disolver por completo una vez que se enfriara. Y lo que es más, las temperaturas de formación y disolución podrían controlarse de forma independiente controlando las proporciones de segmentos ordenados y desordenados en el biomaterial. Esta sintonización independiente confiere memorias de forma a los COP a través de un fenómeno conocido como histéresis. permitiéndoles volver a su forma original después de una señal de temperatura.

El equipo de Duke colaboró ​​con el laboratorio de Rohit Pappu, el Profesor Edwin H. Murty de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Washington en St. Louis para comprender la base molecular del comportamiento histerético codificado en secuencia. Tyler S. Harmon, luego un Ph.D. en Física estudiante en el laboratorio de Pappu, desarrolló un modelo computacional para mostrar que la histéresis surge de las interacciones diferenciales de regiones ordenadas y desordenadas con solvente versus solo.

"Ser capaces de simular la base molecular para la histéresis sintonizable nos coloca en el camino para diseñar materiales a medida con las estructuras deseadas y los perfiles de memoria de forma, ", Dijo Pappu." Esto parece ser una característica no reconocida hasta ahora de la sinergia entre los dominios ordenados y los desplazados internos ".

Seguir adelante, el equipo espera estudiar el material en modelos animales para examinar los usos potenciales en la ingeniería de tejidos y la curación de heridas y desarrollar una mejor comprensión de por qué el material promueve la vascularización. Si estos estudios son efectivos, Roberts es optimista de que el nuevo material podría convertirse en la base de una empresa de biotecnología. También quieren desarrollar una comprensión más profunda de las interacciones entre las porciones ordenadas y desordenadas en estos materiales versátiles.

"Nos ha fascinado tanto el comportamiento de fase derivado de los dominios desordenados que descuidamos las propiedades de los dominios ordenados, que resultó ser bastante importante, ", Dijo Chilkoti." Al combinar segmentos ordenados con segmentos desordenados, hay un mundo completamente nuevo de materiales que podemos crear con una hermosa estructura interna sin perder el comportamiento de fase del segmento desordenado, y eso es emocionante ".