La capacidad de diseñar materiales biológicos a medida, como proteínas y ADN, abre posibilidades tecnológicas que eran inimaginables hace apenas unas décadas. Por ejemplo, Las estructuras sintéticas hechas de ADN podrían algún día usarse para administrar medicamentos contra el cáncer directamente a las células tumorales, y se podrían diseñar proteínas personalizadas para atacar específicamente cierto tipo de virus. Aunque los investigadores ya han creado tales estructuras a partir de ADN o proteínas únicamente, un equipo de Caltech creó recientemente, por primera vez, una estructura sintética hecha de proteína y ADN. La combinación de los dos tipos de moléculas en un biomaterial abre la puerta a numerosas aplicaciones.

Un artículo que describe los llamados híbridos, o componente múltiple, Los materiales aparecen en la edición del 2 de septiembre de la revista. Naturaleza .

Hay muchas ventajas para los materiales de componentes múltiples, dice Yun (Kurt) Mou (PhD '15), primer autor del Naturaleza estudio. "Si su material se compone de varios tipos diferentes de componentes, puede tener más funcionalidad. Por ejemplo, la proteína es muy versátil; se puede usar para muchas cosas, como interacciones proteína-proteína o como enzima para acelerar una reacción. Y el ADN se programa fácilmente en nanoestructuras de una variedad de tamaños y formas ".

Pero, ¿cómo se empieza a crear algo parecido a un nanoalambre de proteína-ADN, un material que nadie ha visto antes?

Mou y sus colegas en el laboratorio de Stephen Mayo, Bren Profesor de Biología y Química y Presidente de Liderazgo William K. Bowes Jr. de la División de Biología e Ingeniería Biológica de Caltech, comenzó con un programa de computadora para diseñar el tipo de proteína y ADN que funcionaría mejor como parte de su material híbrido. "Los materiales se pueden formar usando solo un método de prueba y error de combinar cosas para ver qué resultados, pero es mejor y más eficiente si primero puede predecir cómo es la estructura y luego diseñar una proteína para formar ese tipo de material, " él dice.

Los investigadores introdujeron las propiedades del nanoalambre proteína-ADN que querían en un programa informático desarrollado en el laboratorio; Luego, el programa generó una secuencia de aminoácidos (bloques de construcción de proteínas) y bases nitrogenadas (bloques de construcción de ADN) que producirían el material deseado.

Sin embargo, hacer con éxito un material híbrido no es tan simple como simplemente conectar algunas propiedades en un programa de computadora, Mou dice. Aunque el modelo de computadora proporciona una secuencia, el investigador debe verificar minuciosamente el modelo para asegurarse de que la secuencia producida tenga sentido; que no, el investigador debe proporcionar a la computadora información que pueda usarse para corregir el modelo. "Así que al final, usted elige la secuencia en la que usted y la computadora están de acuerdo. Luego, puedes mezclar físicamente los aminoácidos prescritos y las bases de ADN para formar el nanoalambre ".

La secuencia resultante fue una versión artificial de un acoplamiento proteína-ADN que ocurre en la naturaleza. En la etapa inicial de expresión génica, llamado transcripción, una secuencia de ADN se convierte primero en ARN. Para extraer la enzima que realmente transcribe el ADN en ARN, Las proteínas llamadas factores de transcripción deben primero unirse a ciertas regiones de la secuencia de ADN llamadas dominios de unión a proteínas.

Usando el programa de computadora, los investigadores diseñaron una secuencia de ADN que contenía muchos de estos dominios de unión a proteínas a intervalos regulares. Luego seleccionaron el factor de transcripción que se une naturalmente a este sitio de unión de proteínas en particular, el factor de transcripción llamado Engrailed de la mosca de la fruta Drosophila. Sin embargo, en naturaleza, Engrailed solo se adhiere al sitio de unión a proteínas en el ADN. Para crear un nanoalambre largo hecho de una hebra continua de proteína unida a una hebra continua de ADN, los investigadores tuvieron que modificar el factor de transcripción para incluir un sitio que permitiera a Engrailed también unirse a la siguiente proteína en línea.

"Esencialmente, es como darle a esta proteína dos manos en lugar de solo una, "Mou explica." La mano que sostiene el ADN es fácil porque es proporcionada por la naturaleza, pero la otra parte debe agregarse allí para retener otra proteína ".

Otro atributo único de este nuevo nanoalambre de proteína-ADN es que emplea el ensamblaje conjunto, lo que significa que el material no se formará hasta que se hayan agregado a la solución tanto los componentes de la proteína como los componentes del ADN. Aunque los materiales anteriormente podían estar hechos de ADN con proteínas añadidas más tarde, el uso del ensamblaje conjunto para hacer el material híbrido fue una novedad. Este atributo es importante para el uso futuro del material en la medicina o la industria, Mou dice, ya que los dos conjuntos de componentes se pueden proporcionar por separado y luego combinarse para hacer el nanoalambre cuando y donde se necesite.

Este hallazgo se basa en trabajos anteriores en el laboratorio de Mayo, cuales, en 1997, creó una de las primeras proteínas artificiales, lanzando así el campo del diseño computacional de proteínas. La capacidad de crear proteínas sintéticas permite a los investigadores desarrollar proteínas con nuevas capacidades y funciones, como las proteínas terapéuticas que se dirigen al cáncer. La creación de un nanocable ensamblado de proteína-ADN es otro hito en este campo.

"Nuestro trabajo anterior se centró principalmente en el diseño de solubles, sistemas de proteínas solamente. El trabajo reportado aquí representa una expansión significativa de nuestras actividades en el ámbito de los biomateriales mixtos a nanoescala, "Dice Mayo.

Aunque el desarrollo de este nuevo biomaterial se encuentra en sus primeras etapas, el método, Mou dice, tiene muchas aplicaciones prometedoras que podrían cambiar la investigación y las prácticas clínicas en el futuro.

"Nuestro próximo paso será explorar las muchas aplicaciones potenciales de nuestro nuevo biomaterial, ", Dice Mou." Podría incorporarse en métodos para administrar medicamentos a las células, para crear terapias dirigidas que solo se unan a un determinado biomarcador en un determinado tipo de célula, como las células cancerosas. También podríamos expandir la idea de nanocables de proteína-ADN a nanocables de proteína-ARN que podrían usarse para aplicaciones de terapia génica. Y como este material es nuevo, probablemente hay muchas más aplicaciones que ni siquiera hemos considerado todavía ".