(Phys.org) —Una ruta para construir nanomáquinas de proteínas diseñadas para aplicaciones específicas puede estar más cerca de la realidad.

Los sistemas biológicos producen una increíble variedad de autoensamblajes, herramientas funcionales de proteínas. Algunos ejemplos de estos materiales proteicos a nanoescala son andamios para anclar las actividades celulares, motores moleculares para impulsar eventos fisiológicos, y cápsulas para administrar virus a las células huésped.

Los científicos inspirados en estas sofisticadas máquinas moleculares quieren construir sus propias con formas y funciones personalizadas para hacer frente a los desafíos actuales.

La capacidad de diseñar nuevas nanoestructuras de proteínas podría tener implicaciones útiles en la administración dirigida de fármacos, en el desarrollo de vacunas y en plasmónicos:manipulación de señales electromagnéticas para guiar la difracción de luz para tecnologías de la información, producción de energía u otros usos.

Un método computacional desarrollado recientemente puede ser un paso importante hacia ese objetivo. El proyecto fue dirigido por Neil King de la Universidad de Washington, investigador traslacional; Jacob Bale, estudiante de posgrado en Biología Molecular y Celular; y William Sheffler en el laboratorio de David Baker en el Instituto de Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington, en colaboración con colegas de UCLA y Janelia Farm.

El trabajo se basa en el paquete de modelado macromolecular Rosetta desarrollado por Baker y sus colegas. El programa fue creado originalmente para predecir estructuras de proteínas naturales a partir de secuencias de aminoácidos. Los investigadores del laboratorio Baker y de todo el mundo utilizan cada vez más a Rosetta para diseñar nuevas estructuras y secuencias de proteínas destinadas a resolver problemas del mundo real.

"Las proteínas son estructuras asombrosas que pueden hacer cosas notables, "King dijo, "pueden responder a cambios en su entorno. La exposición a un metabolito en particular o un aumento de temperatura, por ejemplo, puede desencadenar una alteración en la forma y función de una proteína en particular. "La gente suele llamar a las proteínas los componentes básicos de la vida.

"Pero a diferencia, decir, una tubería de PVC, "King dijo, "no son simplemente material de construcción". También son trabajadores de la construcción (y demolición), lo que acelera las reacciones químicas, descomponer la comida, llevando mensajes, interactuando entre sí, y realizar innumerables otras tareas vitales para la vida.

Reportando en la edición del 5 de junio de Naturaleza , los investigadores describen el desarrollo y la aplicación de un nuevo software Rosetta que permite el diseño de nanomateriales de proteínas novedosos compuestos por múltiples copias de distintas subunidades de proteínas, que se organizan en un orden superior, arquitecturas simétricas.

Con el nuevo software, los científicos pudieron crear cinco novedosos, Nanomateriales de proteínas en forma de jaula de 24 subunidades. En tono rimbombante, las estructuras reales, los investigadores observaron, estaban muy de acuerdo con su modelo informático.

Su método depende de la codificación de pares de secuencias de aminoácidos de proteínas con la información necesaria para dirigir el ensamblaje molecular a través de interfaces proteína-proteína. Las interfaces no solo proporcionan las fuerzas energéticas que impulsan el proceso de montaje, también orientan con precisión los pares de bloques de construcción de proteínas con la geometría requerida para producir las arquitecturas simétricas en forma de jaula deseadas.

Creando esta proteína en forma de jaula, los científicos dijeron, puede ser un primer paso hacia la construcción de contenedores a nanoescala. King dijo que espera el momento en que las moléculas de fármacos contra el cáncer se empaquetarán dentro de nanocajas diseñadas y se entregarán directamente a las células tumorales. ahorrando células sanas.

"El problema actual de la quimioterapia contra el cáncer es que afecta a todas las células y hace que el paciente se sienta enfermo, ", Dijo King. Empacar los medicamentos dentro de nanovehículos personalizados con opciones de estacionamiento restringidas a los sitios del cáncer podría evitar los efectos secundarios.

Los científicos señalan que la combinación de solo dos tipos de elementos de simetría, como en este estudio, puede en teoría dar lugar a una gama de formas simétricas, como grupos de puntos cúbicos, hélices capas, y cristales.

King explicó que el sistema inmunológico responde a repeticiones, patrones simétricos, como los que se encuentran en la superficie de un virus o una bacteria patógena. La construcción de nano-señuelos puede ser una forma de entrenar al sistema inmunológico para atacar ciertos tipos de patógenos.

"Este concepto puede convertirse en la base de las vacunas basadas en nanomateriales diseñados, "King dijo. Más adelante en el camino, Él y Bale anticipan que estos métodos de diseño también podrían ser útiles para desarrollar nuevas tecnologías de energía limpia.

Los científicos agregaron en su informe, "El control preciso sobre la geometría de la interfaz que ofrece nuestro método permite el diseño de nanomateriales de proteínas de dos componentes con diversas características a nanoescala, como superficies, poros y volúmenes internos, con alta precisión ".

Continuaron diciendo que las combinaciones posibles con materiales de dos componentes amplían enormemente el número y la variedad de nanomateriales potenciales que podrían diseñarse.

Puede ser posible producir nanomateriales en una variedad de tamaños, formas y arreglos, y también pasar a construir materiales cada vez más complejos a partir de más de dos componentes.

Los investigadores enfatizaron que el objetivo a largo plazo de tales estructuras no es permanecer estático. La esperanza es que imiten o vayan más allá del desempeño dinámico de los ensamblajes de proteínas naturales, y que eventualmente se podrían fabricar nuevas máquinas de proteínas moleculares con funciones programables.

Los investigadores señalaron que, aunque diseñar proteínas y nanomateriales basados ​​en proteínas es un gran desafío debido a la relativa complejidad de las estructuras e interacciones de las proteínas, En la actualidad, hay más de un puñado de laboratorios en todo el mundo que están dando grandes pasos en este campo. Cada uno de los principales contribuyentes tiene fortalezas clave, ellos dijeron. Los puntos fuertes del equipo de la Universidad de Washington residen en la precisión de la coincidencia de las proteínas diseñadas con los modelos computacionales y la previsibilidad de los resultados.