Los investigadores han desarrollado un método simple para hacer cadenas de proteínas cortas con estructuras en espiral que también pueden disolverse en agua. dos rasgos deseables que no suelen encontrarse juntos. Tales estructuras podrían tener aplicaciones como bloques de construcción para nanoestructuras de autoensamblaje y como agentes para la administración de fármacos y genes.

Dirigido por Jianjun Cheng, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois, el equipo de investigación publicará sus hallazgos en la edición del 22 de febrero de la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Los científicos de materiales han estado interesados ​​en diseñar grandes moléculas de polímeros que podrían usarse como bloques de construcción para estructuras de autoensamblaje. El desafío ha sido que las moléculas adoptan generalmente una forma globular, forma esférica, limitando su capacidad para formar agregados ordenados. Sin embargo, Los polipéptidos, cadenas de aminoácidos como las proteínas, pueden formar estructuras helicoidales. Las cadenas polipeptídicas cortas que adoptan una forma de espiral actúan como varillas cilíndricas.

"Si tienes dos varillas rígidas, uno positivo y otro negativo, uno al lado del otro, se van a pegar el uno al otro. Si tiene una forma de poner la carga en la superficie, entonces pueden empacar juntos en un cierre, forma compacta, por lo que forman una estructura tridimensional, "Dijo Cheng.

Sin embargo, es difícil hacer polipéptidos helicoidales que sean solubles en agua para que puedan usarse en solución. Los polipéptidos obtienen su solubilidad a partir de cadenas laterales, estructuras moleculares que se derivan de cada enlace de aminoácidos en la cadena polipeptídica. Se necesitan aminoácidos con cargas positivas o negativas en sus cadenas laterales para hacer que un polipéptido se disperse en el agua.

El problema surge cuando las cadenas con cadenas laterales cargadas forman estructuras helicoidales. Las cargas provocan una fuerte repulsión entre las cadenas laterales, que desestabiliza la conformación helicoidal. Esto hace que los polipéptidos solubles en agua formen estructuras en espiral aleatorias en lugar de las hélices deseadas.

Al explorar soluciones al enigma de la hélice, polipéptidos solubles en agua, los investigadores han probado varios métodos complicados. Por ejemplo, Los científicos han intentado injertar sustancias químicas altamente solubles en agua en las cadenas laterales para aumentar la solubilidad general de los polipéptidos. o creando hélices con cargas solo en un lado.

"Puedes lograr la estructura helicoidal y la solubilidad, pero tienes que diseñar la estructura helicoidal de una manera muy especial. El diseño del péptido necesita una secuencia muy específica. Entonces estás muy limitado en el tipo de polipéptido que puedes construir, y no es fácil diseñar o manipular estos polipéptidos, "Dijo Cheng.

A diferencia de, El grupo de Cheng desarrolló una solución muy sencilla. Dado que la proximidad de las cargas provoca la repulsión que rompe la hélice, los investigadores simplemente alargaron las cadenas laterales, alejando las cargas de la columna vertebral y dándoles más libertad para mantener la distancia entre sí.

Los investigadores observaron que a medida que aumentaban la longitud de las cadenas laterales con cargas en el extremo, También aumentó la propensión de los polipéptidos a formar hélices.

"Es una idea tan simple:alejar la carga de la red troncal, "Dijo Cheng." No es nada difícil hacer las cadenas laterales más largas, y tiene propiedades asombrosas para enrollar estructuras helicoidales simplemente presionando la distancia entre la carga y la columna vertebral ".

El grupo descubrió que los polipéptidos con cadenas laterales largas no solo forman hélices, muestran una estabilidad notable incluso en comparación con las hélices sin carga. Las hélices parecen inmunes a la temperatura, pH y otros agentes desnaturalizantes que desenrollarían la mayoría de los polipéptidos.

Esto puede explicar por qué los aminoácidos con grandes cadenas laterales hidrófobas no se encuentran en la naturaleza. Tal inmutabilidad impediría el devanado y desenrollado dinámicos de las estructuras proteicas, que es esencial para muchos procesos biológicos. Sin embargo, la estabilidad rígida es un rasgo deseable para los tipos de aplicaciones que explora el grupo de Cheng:nanoestructuras para la administración de fármacos y genes, especialmente dirigido a tumores cancerosos y células madre.

"Queremos probar la correlación de las longitudes de las hélices y la circulación en el cuerpo para ver cuál es el impacto de la forma y la carga y las cadenas laterales para el espacio libre en el cuerpo". ", Dijo Cheng." Estudios recientes muestran que la relación de aspecto de las nanoestructuras (estructuras esféricas versus tubos) tiene un gran impacto en su penetración de los tejidos tumorales y la vida media de la circulación en el cuerpo ".

Cheng planea crear una biblioteca de polipéptidos helicoidales cortos de diferentes longitudes de columna vertebral, longitudes de cadena lateral y tipos de carga. Espera simplificar aún más la química y hacer que los materiales sean ampliamente accesibles. Su laboratorio ya ha demostrado que las estructuras helicoidales pueden ser agentes eficaces de transducción de membranas y suministro de genes. y la construcción de la biblioteca de moléculas helicoidales solubles permitirá una mayor investigación de la adaptación de tales nanoestructuras para aplicaciones biomédicas específicas.