Los bioquímicos de UCLA han diseñado proteínas especializadas que se ensamblan para formar diminutas jaulas moleculares cientos de veces más pequeñas que una sola célula. La creación de estas estructuras en miniatura puede ser el primer paso hacia el desarrollo de nuevos métodos de administración de fármacos o incluso el diseño de vacunas artificiales.

"Esta es la primera demostración decisiva de un enfoque que se puede utilizar para combinar moléculas de proteínas para crear una gama completa de materiales a nanoescala, "dijo Todd Yeates, profesor de química y bioquímica de UCLA y miembro del Instituto de Genómica y Proteómica de UCLA-DOE y del Instituto de NanoSistemas de California en UCLA.

Publicado el 1 de junio en la revista Ciencias , la investigación podría utilizarse para crear jaulas a partir de cualquier cantidad de proteínas diferentes, con aplicaciones potenciales en los campos de la medicina y la biología molecular.

El estudiante graduado de UCLA Yen-Ting Lai, autor principal del estudio, utilizaron modelos informáticos para identificar dos proteínas que podrían combinarse para formar piezas de rompecabezas tridimensionales con formas perfectas. Doce de estas piezas especializadas encajan entre sí para crear una jaula molecular de una mera fracción del tamaño de un virus.

"Si conecta dos proteínas aleatorias, esperas tener una red irregular, "dijo Yeates, autor principal del estudio. "Para controlar la geometría, la idea era hacer un vínculo rígido que mantuviera las dos proteínas en su lugar como si fueran partes de un rompecabezas de juguete ".

Las proteínas diseñadas específicamente se entrelazan para formar una red hueca que podría actuar como recipiente para la administración de fármacos. él dijo.

"En principio, sería posible adjuntar una secuencia de reconocimiento de células cancerosas en el exterior de la jaula, con una toxina o alguna otra 'bala mágica' contenida en su interior, "dijo Yeates." De esa manera, el fármaco podría administrarse directamente a determinados objetivos, como las células tumorales ".

En este punto, las jaulas de proteínas ensambladas son lo suficientemente porosas como para que un medicamento colocado en el interior probablemente se escape durante el proceso de administración, Dijo Lai. Su próximo proyecto consistirá en la construcción de una nueva jaula molecular con un interior que estará mejor sellado.

Otro uso de las estructuras proteicas versátiles podría ser como vacunas artificiales. Algunas vacunas tradicionales usan una proteína de superficie inactiva de un virus para engañar al sistema inmunológico del cuerpo haciéndole creer que está siendo atacado. Este método no siempre es efectivo porque a veces la proteína en cuestión no se parece lo suficiente al virus como para desencadenar una fuerte respuesta de los defensores del cuerpo.

Sin embargo, al decorar la superficie de una jaula molecular con múltiples copias de proteínas de identificación de virus, las estructuras diminutas podrían imitar mejor a un virus, estimulando una respuesta inmune incluso más fuerte que una vacuna tradicional y protegiendo mejor al receptor humano de la enfermedad.

Antes de que estas estructuras de proteínas se puedan utilizar en aplicaciones médicas, los propios contenedores moleculares deben estar construidos a partir de proteínas similares a las humanas, en lugar de las proteínas bacterianas empleadas actualmente que el cuerpo humano podría eliminar inmediatamente de la circulación, Yeates dijo.

"Nuestro primer desafío será repetir este tipo de diseños con moléculas que tienen menos probabilidades de generar una respuesta inmune del huésped". ", dijo." Generalmente, queremos utilizar proteínas que se parecen a las proteínas humanas para que el cuerpo no las reconozca como extrañas ".

La idea de edificio complejo, Las estructuras de proteínas autoensambladas han sido la ambición de Yeates desde que publicó un artículo que describe el trabajo preliminar sobre este método en 2001. Sin embargo, el concepto permaneció en un segundo plano durante 10 años hasta que Yen-Ting Lai se unió al grupo de investigación de Yeates. Con tres maestrías - en biología estructural, bioinformática e ingeniería biomédica:Lai tenía la combinación correcta de habilidades para llevar la investigación a buen término, Yeates dijo.

Este proyecto está financiado con fondos federales por la National Science Foundation. Otros coautores incluyen al científico senior de UCLA Duilio Cascio.

Un segundo avance

Un segundo artículo en coautoría de Yeates crea jaulas moleculares de diseño similar utilizando múltiples copias de la misma proteína como bloques de construcción. Los científicos controlan la forma de la jaula calculando la secuencia de aminoácidos necesaria para unir las proteínas en los ángulos correctos. La investigación, también publicado hoy en Ciencias , resultó de una colaboración entre el equipo de UCLA y el profesor David Baker de la Universidad de Washington.

Este método alternativo representa un enfoque más versátil porque requiere solo un tipo de proteína para formar una estructura, Yeates dijo. Sin embargo, idear diferentes tipos de enlaces entre proteínas idénticas sigue siendo un gran desafío. Autor principal Neil King, becario postdoctoral en la Universidad de Washington y ex alumno de Yeates, tomó las numerosas posibilidades generadas por computadora y probó cada versión experimentalmente hasta que encontró una que producía el comportamiento correcto.