En un dispositivo que puede revelar si las proteínas amiloides se están ensamblando en cadenas, la luz no polarizada entra en un polarizador horizontal. Esto solo permite el paso de las ondas que oscilan en la dirección horizontal. Luego, si las proteínas amiloides han ensamblado las nanovarillas de oro en cadenas, la luz roja se tuerce, cambiando el ángulo de su polarización. Luego, cuando pasa por el polarizador vertical, la porción de luz que oscila en la dirección vertical pasa. Esto da como resultado una fuerte señal roja que se puede ver a simple vista. Crédito:Jun Lu, Universidad de Jilin y Universidad de Michigan
Un nuevo enfoque crea balizas similares a cristales líquidos a partir de proteínas amiloides dañinas presentes en enfermedades como la diabetes tipo II.
En una nueva técnica de detección de drogas que se basa en nanobarras de oro para torcer la luz, un resplandor rojo puede indicar el fracaso de un medicamento diseñado para tratar enfermedades "amiloides" como la diabetes tipo II y el cáncer de páncreas.
La técnica fue desarrollada por investigadores de la Universidad de Michigan, Universidad de Jilin en China, y la Universidad Federal de São Carlos en Brasil. Aprovecha una propiedad llamada "quiralidad, "que se encuentra en nanoestructuras, moléculas biológicas como proteínas, y ondas de luz. Un objeto quiral no se puede superponer a su imagen especular, como una mano derecha e izquierda, o hélices que giran en diferentes direcciones.
Los investigadores pudieron aprovechar la quiralidad de un marcador proteico para estas enfermedades, llamados polipéptidos amiloides de los islotes. Estas proteínas se unen en cadenas retorcidas y se acumulan en los tejidos. Las proteínas amiloides que forman fibras en forma de sacacorchos también juegan un papel en las enfermedades de Parkinson y Huntington.
En el nuevo enfoque, nanobarras de oro están recubiertas con proteínas dañinas, que forman fibras largas en forma de resorte con tres nanobarras por vuelta. Estas estructuras aparecen de color rojo brillante cuando se ven entre dos polarizadores de ángulos opuestos, o filtros de luz, porque su torsión, las formas quirales pueden cambiar la polarización de la luz.
"La fuerte torsión de la luz permite que los resultados de la detección de drogas se vean a simple vista, en lugar de utilizar instrumentos complicados, "dijo Kun Liu, profesor de química en la Universidad de Jilin y coautor correspondiente en un artículo recientemente publicado en Ciencias .
En el dispositivo de la izquierda, las nanovarillas de oro permiten una pequeña cantidad de luz a través de los dos polarizadores cruzados. Esto es similar a la señal que muestra que está funcionando un medicamento diseñado para prevenir la formación de placas amiloides. Sin embargo, cuando las proteínas amiloides ensamblan las nanovarillas de oro en hélices, una luz roja clara es visible a través de los polarizadores, revelando que una droga ha fallado. Crédito:Jun Lu, Universidad de Jilin y Universidad de Michigan
Las nanovarillas, cada una de aproximadamente 50 nanómetros de largo y 20 nanómetros de ancho, ofrecen beneficios adicionales.
"Las cadenas helicoidales periódicas aumentan la torsión de la luz en 4, 600 veces, lo que los hace visibles en condiciones biológicas muy difíciles. Y las nanovarillas también aceleran el proceso de formación de cadenas de amiloide, que es fundamental para el descubrimiento rápido de fármacos, "dijo Nicholas Kotov, coautor correspondiente del artículo y profesor universitario distinguido Irving Langmuir de ciencias químicas e ingeniería en la U-M.
Típicamente, Los polipéptidos amiloides tardan unos días a una semana en unirse. Esto ralentiza las pruebas de posibles fármacos. Las nanovarillas aceleran el proceso de polipéptidos amiloides hasta un día. Esto ocurre porque las varillas están recubiertas con un químico surfactante llamado bromuro de cetrimonio, similar al cloruro de cetrimonio que se encuentra en algunos champús y acondicionadores. Cuando las proteínas amiloides se unen al cuerpo de la barra de oro, el surfactante les ayuda a formar una forma enrollada que facilita la unión a otros amiloides.
Cuando los amiloides se conectan, sus varas de oro forman una hélice, girando alrededor de la cuerda de proteína. Y debido a que el oro interactúa fuertemente con la luz roja, estas hélices altamente organizadas retuercen las ondas de luz roja con mucha fuerza.
Esto es lo que lleva a la fácil detección de si un fármaco para prevenir las cadenas amiloides ha funcionado o no. La configuración pone la mezcla realista de células, componentes sanguíneos, moléculas de fármacos y proteínas amiloides que los fármacos encuentran en el cuerpo entre dos polarizadores. El primer polarizador solo permite el paso de la luz si oscila en dirección vertical. El segundo polarizador solo deja pasar ondas de luz que se mueven en dirección horizontal.
Si la luz no se retuerce entre los dos polarizadores, los dos polarizadores bloquean completamente la luz. Esto es lo que sucede cuando un fármaco tiene éxito:no se forman cadenas de amiloide, por lo que solo unas pocas nanovarillas aleatorias giran la luz. A través de los dos polarizadores entra muy poca luz. Sin embargo, si esas cadenas se forman, tuercen la luz roja. Un resplandor rojo se vuelve claramente visible, lo que muestra que el fármaco ha fallado.
La vista a través del polarizador muestra dónde se han formado estructuras de torsión de luz en una sopa de células y materiales biológicos. Crédito:Jun Lu, Universidad de Jilin y Universidad de Michigan
"Si bien los experimentos afinaron las mejores condiciones para detectar cadenas de amiloide, Las simulaciones por computadora fueron fundamentales para desentrañar las complejas interacciones entre el oro, tensioactivos y los fragmentos de proteínas, que necesitan interactuar simultáneamente para que la plataforma funcione, "dijo André de Moura, profesor de la Universidad Federal de São Carlos y coautor del artículo.
El equipo internacional también estableció principios de diseño unificadores sobre cómo hacer nanoestructuras retorcidas que pueden torcer significativamente la luz. una característica que es crítica para muchas aplicaciones.
La obra representa un viaje de siete años para Jun Lu, ahora es investigador en ingeniería química en la U-M. Al comienzo de su doctorado. bajo Liu en China, Lu comenzó tratando de convencer a los polipéptidos amiloides de los islotes humanos para que se autoensamblaran, con varillas de oro adjuntas. Después de aproximadamente un año, él y Liu habían encontrado signos débiles de que las asambleas estaban torciendo la luz. Después de una reunión fortuita en el aeropuerto con Kotov, el equipo comenzó a trabajar en el mecanismo de las interacciones de la luz y los usos farmacéuticos de estos ensamblajes.
Lu trabajó para hacer que el efecto fuera más grande, dimensionar las nanovarillas para complementar la distancia entre las nanovarillas. El equipo internacional exploró la aplicación de detección de drogas, y Lu desarrollaron simulaciones utilizando la poderosa supercomputadora Great Lakes en la Universidad de Michigan, mientras que su colaborador en la Universidad de São Paulo en Brasil, Kalil Bernardino, usó la supercomputadora SDumont para confirmar los mecanismos detrás de las mediciones experimentales.
Si bien el proyecto fue largo, Lu dice, "Cada esfuerzo está bien recompensado. Es como un sueño hecho realidad".
El artículo se titula "Mejora de la asimetría óptica en conjuntos quiroplásmicos supramoleculares con orden de largo alcance, "y será publicado en línea por la revista Ciencias el jueves, 25 de febrero 2021.
