Los investigadores usan los secretos más fuertes de la naturaleza para construir biomateriales aún más fuertes
Aquellos que han tratado de arrancar un mejillón de cualquier cosa, desde la madera hasta la roca, saben lo obstinados que son los moluscos submarinos, y su pegajoso secreto ha cautivado a los científicos durante mucho tiempo.
Durante años, los investigadores han intentado replicar en el laboratorio el extraordinario adhesivo y sus propiedades, enfocándose en algunas de las ocho proteínas que secretan los mejillones y usan para recubrir un órgano llamado pie que los mejillones usan para adherirse a las superficies.
Ahora, utilizando un novedoso método para organizar las moléculas, los investigadores de la Universidad Northwestern han creado un material que funciona incluso mejor que el pegamento que intentaban imitar. Sus hallazgos amplían la forma en que estos polímeros similares a proteínas pueden usarse como plataforma para crear nuevos materiales y terapias.
"El polímero podría usarse como adhesivo en un contexto biomédico, lo que significa que podría adherirse ahora a un tejido específico del cuerpo", dijo Nathan Gianneschi de Northwestern. "Y que mantenga otras moléculas cerca en un solo lugar, lo que sería útil para curar o reparar heridas".
Gianneschi dirigió el estudio y es profesor de Química Jacob y Rosaline Cohn en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg en Northwestern.
Existen en la naturaleza proteínas como las secretadas por los pies de los mejillones. La evolución se ha acostumbrado a crear estas largas cadenas lineales de aminoácidos que se repiten una y otra vez (llamadas proteínas de repetición en tándem o TRP). Con un aspecto a veces elástico, fuerte y pegajoso, las estructuras proteicas aparecen en las alas y patas de los insectos, la seda de araña y los pies de los mejillones.
Los científicos conocen las secuencias primarias exactas de aminoácidos que componen muchas de estas proteínas, pero tienen problemas para replicar el complicado proceso natural y al mismo tiempo mantener sus extraordinarias cualidades.
El primer autor del artículo, Or Berger, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Gianneschi que estudia los péptidos, estas mismas cadenas de aminoácidos, tuvo una idea sobre cómo organizar los componentes básicos de los aminoácidos de manera diferente para replicar las propiedades en lugar de copiar directamente la estructura de las proteínas de los mejillones.
Al tomar el bloque de construcción de una de las proteínas (el decapéptido repetido, una secuencia de 10 aminoácidos que forma la proteína del pie de mejillón) y conectarlo a un polímero sintético, Berger pensó que las propiedades podrían mejorar.
Como director asociado del Instituto Internacional de Nanotecnología, Gianneschi ha construido gran parte de su laboratorio en torno a la idea de imitar las funciones de las proteínas mediante el uso de la química de polímeros. Dentro de la terapia de precisión, las terapias farmacológicas como los anticuerpos y otras pequeñas moléculas combaten algunas enfermedades, en las que se utiliza un nanoportador para administrar un fármaco a un objetivo con mayor eficacia. Pero Gianneschi dice que la replicación de proteínas podría abordar los problemas biológicos de manera diferente, al cambiar las interacciones dentro y entre las células que están involucradas en la progresión de la enfermedad, o entre células, tejidos y materiales.
"Las proteínas organizan los aminoácidos como cadenas pero, en lugar de eso, los tomamos y los organizamos en paralelo, en una columna vertebral de denso polímero sintético", dijo Gianneschi. "Esto fue lo mismo que comenzamos a hacer para controlar interacciones biológicas específicas, por lo que la misma tecnología de plataforma que usaremos para futuras terapias realmente se ha vuelto potencialmente interesante en la ciencia de los materiales".
El resultado fue algo que parece un cepillo de péptidos en lugar de unir aminoácidos en línea recta como una cadena. Si bien el novedoso proceso puede parecer que agrega un paso adicional, la formación de polímeros similares a proteínas (PLP) omite varios pasos, lo que requiere que los investigadores formen péptidos en un sintetizador fácilmente disponible y los inserten en la apretada columna vertebral en lugar de pasar por los tediosos pasos de expresión de proteínas.
Para probar la eficacia del nuevo material, los investigadores aplicaron el material polimérico o la proteína de mejillón nativa a placas de vidrio. Los investigadores colocaron células en las placas y luego, después de lavarlas, evaluaron cuántas células estaban presentes, adheridas o no, para medir el rendimiento de los materiales. Descubrieron que el PLP formaba un superpegamento celular que dejaba adheridas la mayoría de las células en comparación con la mezcla nativa y la placa sin tratar.
"En realidad, no teníamos la intención de mejorar las propiedades del mejillón", dijo Berger. "Solo pretendíamos imitarlas, pero cuando lo probamos en varios ensayos diferentes, en realidad obtuvimos mejores propiedades que el material nativo en estos entornos".
El equipo espera que el modelo pueda ser ampliamente aplicable a otras proteínas que repiten su secuencia para ganar función en una nueva forma de replicar proteínas. Ellos plantean la hipótesis de que dicha plataforma podría funcionar mejor que sus contrapartes nativas porque son más densas y escalables. Gianneschi dijo que este es el primero de muchos artículos en los que se analizan imitadores de proteínas a base de polímeros, y ya está pensando en aplicaciones para futuros materiales.
La resilina, por ejemplo, una proteína elástica que se encuentra en las patas y alas de los insectos, podría usarse para fabricar drones flexibles y otros robots.
"Cuando hablas de polímeros, algunas personas piensan inmediatamente en bolsas y botellas de plástico", dijo Gianneschi. "En cambio, estos son materiales de precisión avanzados y muy funcionales, hechos accesibles".
Los hallazgos se han publicado el 3 de marzo en el Journal of the American Chemical Society: A mussel adhesive-inspired protemimetic polymer
