Los IDPP de LCST exhiben una amplia gama de comportamientos de fase histerética. (A) El análisis del comportamiento de fase reversible de LCST IDPP en nuestra biblioteca reveló tres grupos de motivos repetidos, donde los motivos en cada grupo codifican uno de los tres tipos de comportamiento de fase caracterizado por diferencias en el grado de histéresis térmica que se observa al enfriar por debajo de la temperatura del punto de enturbiamiento, que van desde (i) insignificante (~ 0 ° C) y (ii) moderado (10 ° a 30 ° C) a (iii) grande, histéresis ambientalmente sensible. Aquí, mostramos la turbidez óptica dependiente de la temperatura durante un ciclo completo de calentamiento y enfriamiento, pasando el Tcp para tres IDPP representativos que exhiben la gama completa de comportamientos histeréticos observados. Como guía para el ojo cada panel incluye una leyenda con un indicador cualitativo del grado de histéresis para cada motivo repetido. (B) Los IDPP hechos de repeticiones (VAPVG) exhiben grados altamente reproducibles de histéresis térmica durante múltiples ciclos de separación de fases. (C) Extensión de datos en (A) examinando el comportamiento de fase de (VGAPVG) 35 para mostrar su gran, histéresis ambientalmente sensible, como muestra (en experimentos separados) histéresis térmica grande o insignificante dependiendo de la temperatura máxima (mostrada por flechas) alcanzada durante la parte de calentamiento del ciclo. (D) Comportamiento de la fase histerética de los IDPP con un número creciente de repeticiones (VAPVG). (E) Análisis de IDPP en (D) pero variando la velocidad de enfriamiento (de 1 ° a 0,1 ° C / min). Para mejorar la visualización de datos, las Tcp correspondientes al calentar se muestran como líneas discontinuas verticales. Todas las mediciones de turbidez óptica se realizaron a una concentración fija de 50 μM en PBS, con calentamiento y enfriamiento a 1 ° C / min, a menos que se indique lo contrario. Crédito: Avances de la ciencia (2019). DOI:10.1126 / sciadv.aax5177
Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado que pueden crear materiales estables a partir de proteínas desordenadas modificadas mediante la alteración de los desencadenantes ambientales que hacen que experimenten 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 la administración de fármacos. Ingeniería de tejidos, medicina regenerativa y biotecnología.
La investigación apareció en línea el 18 de octubre en Avances de la ciencia .
Las proteínas funcionan plegándose 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 que buscan crear materiales novedosos para aplicaciones biomédicas han centrado su atención en proteínas intrínsecamente desordenadas. llamados desplazados internos, que cambian dinámicamente entre una amplia gama de estructuras.
Los desplazados internos son especialmente útiles para fines biomédicos porque pueden experimentar transiciones de fase:cambio de un líquido a un gel, por ejemplo, o un estado soluble a insoluble, y viceversa, en respuesta a factores ambientales, como cambios de temperatura. Esta capacidad ha convertido a los desplazados internos en una herramienta de referencia para la administración de medicamentos a largo plazo, ya que los desplazados internos 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 desplazados internos sean útiles en una variedad de aplicaciones, Los investigadores pensaban anteriormente que esta flexibilidad limitaba la estabilidad de los materiales resultantes.
En su artículo reciente, Ashutosh Chilkoti, la cátedra de Duke Biomedical Engineering, y Felipe García Quiroz, un doctorado Graduado del Chilkoti Lab que es becario postdoctoral en la Universidad Rockefeller, demuestran que pueden ajustar con precisión la estabilidad de los materiales basados en desplazados internos controlando la rapidez con la que los desplazados internos se asocian y disocian en respuesta a señales ambientales.
"A diferencia de las proteínas bien plegadas, los desplazados internos convencionales tienen dificultades para blindar diferentes partes de sus estructuras entre sí, "Dijo Quiroz." Entonces, a medida que los desplazados internos se vuelven más abundantes en una solución, comienzan a chocar y chocar con frecuencia, con algunas de sus estructuras expuestas pegadas débilmente entre sí y rompiéndose 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 en el entorno cambia, como la temperatura, luego, los segmentos de los desplazados internos permanecen juntos durante períodos de tiempo más prolongados, y se rompen con menos frecuencia, resultando en una transición de fase de un estado soluble a uno insoluble que se puede aprovechar para construir materiales.
Al eliminar el estímulo ambiental, sin embargo, 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 de nuevo diseño que cambian de fase a diferentes temperaturas, y demostró que tras la separación de fases, estos desplazados internos quedan fuera de su comportamiento de equilibrio habitual. Esto desencadena un proceso conocido como histéresis, en el que los desplazados internos se mantendrán unidos incluso si se elimina el desencadenante ambiental de la transición de fase inicial.
"Lo 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 vuelve muy difícil romperlos, ", Dijo Quiroz." Normalmente se piensa que los desplazados internos son débilmente pegajosos, pero ahora mostramos que es posible diseñar desplazados internos súper pegajosos, que se convierten en bloques de construcción muy estables ".
"Esa súper pegajosidad solo surge después de que aplicamos un desencadenante ambiental, para que, de lo contrario, se comporten como desplazados internos habituales y no tengamos que preocuparnos por su rigidez mientras los manejamos, "Dijo Quiroz." Desde la perspectiva de los materiales, muchos de nuestros materiales favoritos son los que son fáciles de preparar, pero puede madurar rápidamente hasta un estado muy estable y difícil de alterar. El cemento es un gran ejemplo de esto ".
Al demostrar que podían hacer un material muy estable a partir de los desplazados internos, Quiroz dijo, podrían basarse en el trabajo anterior con los desplazados internos en campos como la medicina regenerativa. Por ejemplo, en su forma líquida, Los desplazados internos pueden fluir hacia la cavidad de una herida, adoptar su forma y luego pasar a 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 convertir a los desplazados internos en una buena fuente de nuevos materiales para la cicatrización 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 básicamente tenemos nuevas herramientas para jugar, y eso 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 ".
