La naturaleza está llena de formas moleculares extraordinariamente precisas que encajan como una mano en un guante. Las proteínas, por ejemplo, pueden ensamblarse en una amplia variedad de formas bien definidas que les otorgan su función.
"Dependiendo de su forma, las proteínas pueden encajar con otras proteínas para realizar funciones o funcionar mal al agruparse, como se observa en la enfermedad de Alzheimer", dijo el científico de materiales Chun-Long Chen.
"Comprender cómo se ensamblan y los orígenes de su forma particular podría ser importante para diversas aplicaciones, como la administración de fármacos, el diagnóstico y la terapéutica".
En estudios publicados en Nature Communications y Angewandte Chemie , Chen y sus colegas de PNNL investigaron cómo controlar estas formas mediante la creación de materiales a base de peptoides inspirados en la naturaleza.
Utiliza estas sofisticadas moléculas similares a proteínas para diseñar sustancias para aplicaciones energéticas, como captar luz o descomponer la lignina leñosa. En la última década, Chen y su equipo en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han desarrollado una plataforma para la creación de materiales funcionales de diseño basados en peptoides y la caracterización de su comportamiento.
"Los peptoides tienen potencial para usarse en una variedad de aplicaciones", dijo Chen. "En función de sus formas ensambladas y otras propiedades, es posible diseñar peptoides como agentes de administración de fármacos o enzimas artificiales".
Como una mano en un guante
Chen y sus colegas se asociaron con la Universidad de Washington, la Universidad de Chicago y el Instituto de Tecnología de Georgia para diseñar conjuntos de peptoides con formas precisas. Su experimento consiste en dirigir la "lateralidad" de la hélice. Las hélices pueden ser "zurdas" o "diestras" dependiendo de la dirección en la que giran en espiral. Sus resultados fueron publicados en Nature Communications. .
"La destreza es extremadamente importante al diseñar moléculas especializadas, como medicamentos", dijo Chen. "Comprender y controlar esta lateralidad puede proporcionar información sobre procesos como el ensamblaje de proteínas y podría ser valioso para encontrar curas para enfermedades relacionadas con el plegamiento de proteínas, como la enfermedad de Alzheimer".
Para este experimento, Chen y su equipo optaron por estructuras helicoidales en forma de sacacorchos debido a su importancia biológica. De hecho, la mayoría de las proteínas contienen estas estructuras helicoidales básicas.
Los métodos anteriores de síntesis de peptoides producirían una mezcla de hélices izquierdas y derechas. En la naturaleza, las proteínas necesitan tener una conformación específica para realizar sus funciones; la mayoría son zurdas.
"Otros grupos antes que nosotros pudieron sintetizar nanohélices peptoides, pero controlar con precisión sus formas y su lateralidad siguió siendo un desafío", dijo Chen. "Ser capaz de controlar sus formas no sólo abriría la puerta al diseño de futuros materiales, sino que también proporcionaría información sobre los procesos biológicos que implican estas estructuras".
Utilizando una combinación de técnicas experimentales y computacionales, Chen y su equipo descubrieron una manera de controlar la lateralidad de una hélice peptoide. Al igual que las proteínas, los peptoides se crean a partir de componentes básicos similares a los aminoácidos.
Cada bloque de construcción tiene los mismos átomos "columna vertebral" que forman enlaces peptoides; sin embargo, cada eslabón individual de la cadena puede variar enormemente. El grupo de Chen descubrió que podían controlar la forma de la hélice manipulando la secuencia de las cadenas laterales peptoides.
Para investigar más a fondo cómo se pueden ensamblar los peptoides, Chen colaboró con colegas de la Universidad de Washington, la Universidad de Harvard, la Universidad de Binghamton y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Zhejiang. Ampliando sus estudios bidimensionales anteriores de estructuras peptoides, el equipo pudo desarrollar con éxito una nanoestructura helicoidal tridimensional.
Observaron que la inclusión de "grupos funcionales" especiales de átomos en sus secuencias peptoides les permitía crear estructuras con funciones especiales, similares a los conjuntos de proteínas. Su trabajo fue publicado en Angewandte Chemie. .
"Si bien se trata de un estudio fundamental, esta investigación nos brinda información adicional sobre cómo podemos crear materiales mejores y más precisos, como los que se encuentran en la naturaleza, para aplicaciones específicas", dijo Chen. "Los peptoides tienen el potencial de usarse en una variedad de aplicaciones. Según su estructura y otras propiedades, es posible diseñar peptoides como agentes de administración de fármacos o sistemas de captación de luz artificial".
En el futuro, Chen y su equipo esperan crear una amplia gama de nanomateriales basados en peptoides para aplicaciones. Controlar la forma del peptoide, como se describe en sus artículos de investigación, es solo el primer paso.
Más información: Renyu Zheng et al, Ensamblaje de peptoides anfifílicos cortos en nanohélices con quiralidad supramolecular controlable, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46839-y
Li Shao et al, Autoensamblaje jerárquico de materiales funcionales multidimensionales a partir de peptoides definidos por secuencia, Edición internacional Angewandte Chemie (2024). DOI:10.1002/anie.202403263
Información de la revista: Edición internacional Angewandte Chemie , Angewandte Chemie , Comunicaciones de la naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
