Las moléculas autoensambladas que se organizan espontáneamente para formar estructuras complejas son comunes en la naturaleza. Por ejemplo, la dura capa exterior de los insectos, llamada cutícula, es rica en proteínas que pueden autoensamblarse.
El autoensamblaje es una forma rentable, ambientalmente sostenible y rápida de fabricar nanoestructuras con aplicaciones críticas en diversas industrias, que van desde la terapéutica hasta las máquinas autorreplicantes.
Aprovechando las capacidades de autoensamblaje de las proteínas de las cutículas de las orugas de la polilla barrenadora asiática del maíz (Ostrinia furnacalis), los científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur), han creado cápsulas de tamaño nanométrico que podrían usarse para administrar medicamentos y ARN mensajero (ARNm). El ARNm es una molécula que indica a las células que produzcan proteínas y se ha utilizado en las vacunas contra el COVID-19.
La polilla barrenadora asiática del maíz, que se encuentra en regiones desde China hasta Australia, es una plaga agrícola que destruye los cultivos de maíz y las orugas causan los daños. La cutícula de la cabeza de la oruga la protege y le confiere propiedades mecánicas únicas.
Los investigadores analizaron las proteínas de la cutícula de las cabezas de las orugas del barrenador asiático del maíz para identificar cadenas de aminoácidos, conocidos como péptidos, que podrían ensamblarse en estructuras ordenadas de forma independiente.
Examinaron las proteínas en busca de péptidos que contuvieran la misma secuencia de aminoácidos repitiéndose tres o más veces, y cada secuencia constaba de al menos cinco aminoácidos. Debido a las interacciones entre los aminoácidos repetidos, es probable que los péptidos con esta propiedad se autoensamblen.
A partir de su análisis, los científicos identificaron tres péptidos que podrían autoensamblarse para formar nanocápsulas huecas.
La investigación fue dirigida por el profesor adjunto Yu Jing de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NTU, el ex profesor universitario distinguido de NTU Gao Huajian (ahora profesor de la Universidad Xinghua en la Universidad de Tsinghua), el profesor Liu Tian de la Universidad Tecnológica de Dalian y el profesor Yang Qing de la Academia China de Ciencias Agrícolas.
Los investigadores están solicitando una patente para su innovación, basándose en los hallazgos de su estudio publicados en Nature Nanotechnology. en abril de 2024.
En comparación con los métodos convencionales de administración de medicamentos, las nanocápsulas no son tóxicas y pueden administrar de manera eficiente varios medicamentos con diferentes propiedades.
El proceso de autoensamblaje está impulsado por diferencias en las concentraciones químicas, que hacen que los péptidos se unan como ladrillos de Lego y formen estructuras estables.
Los científicos crearon versiones sintéticas de los péptidos naturales autoensamblados que se encuentran en las orugas y disolvieron cada péptido en agua. Luego agregaron el solvente orgánico acetona a las soluciones peptídicas para iniciar el autoensamblaje.
Los investigadores descubrieron que el autoensamblaje de los péptidos se produce en dos etapas. Primero, la solución de péptidos formó gotas inmediatamente cuando se añadió acetona. A continuación, la difusión de acetona en las gotitas y el agua que sale de las gotitas crea un gradiente de concentración en la interfaz de las gotitas que hace que los péptidos se unan en estructuras similares a láminas llamadas láminas beta, formando eventualmente nanocápsulas huecas esféricas. Todo el proceso se lleva a cabo dentro de los 10 minutos posteriores a la mezcla inicial.
Los científicos también podrían ajustar el tamaño de las nanocápsulas ajustando la proporción de péptidos a diisocianato de isoforona. Este compuesto une los péptidos para estabilizar las nanocápsulas.
"Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se crean nanocápsulas peptídicas sin plantillas, allanando el camino para un sistema de administración de fármacos personalizable", afirmó el profesor asociado Yu.
"Nuestras nanocápsulas peptídicas abren la puerta a diversas aplicaciones biomédicas potenciales, como la administración de fármacos y la terapia genética".
Un sistema de administración de medicamentos versátil
Los investigadores demostraron que las nanocápsulas podrían usarse para atrapar y administrar "carga", como medicamentos de quimioterapia y anticuerpos. Al modificar las cadenas peptídicas, también podrían utilizar las nanocápsulas para administrar ARNm.
Las nanocápsulas que contenían fármacos y ARNm no eran tóxicas y fueron absorbidas con éxito por una variedad de células.
"Al comprender el comportamiento de los péptidos autoensamblados en la naturaleza, podemos diseñarlos para que proporcionen una amplia variedad de fármacos y compuestos terapéuticos", dice el Dr. Li Haopeng, investigador de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NTU y primer autor de el estudio.
"No sólo estamos descubriendo los secretos del autoensamblaje, sino también traduciéndolos en soluciones del mundo real que pueden beneficiar nuestras vidas", dice el Dr. Qian Xuliang, investigador de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de NTU y co-primer autor. del estudio.
En el siguiente paso, los investigadores explorarán el uso de tecnologías de inteligencia artificial, como el aprendizaje automático, para identificar automáticamente otros péptidos naturales autoensamblados.
Más información: Haopeng Li et al, Autoensamblaje de nanocápsulas peptídicas mediante un gradiente de concentración de disolvente, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01654-w
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Nanyang
