Engenheiros biomédicos da Duke University demonstraram uma nova abordagem para fazer biomateriais auto-organizados que depende de modificações de proteínas e temperatura. A abordagem híbrida permite que os pesquisadores controlem a automontagem com mais precisão, que pode ser útil para uma variedade de aplicações biomédicas, desde a administração de drogas até a cicatrização de feridas.

A pesquisa aparece online em 19 de março em Química da Natureza .

Os biomateriais têm amplas aplicações nas áreas de engenharia de tecidos, medicina regenerativa e administração de drogas. Materiais à base de proteínas e peptídeos são atraentes para essas aplicações porque não são tóxicos, biodegradáveis ​​e têm uma composição bem definida. Mas esses biomateriais são limitados aos 20 aminoácidos encontrados na natureza.

Uma estratégia para expandir a diversidade química de materiais à base de proteínas é a modificação pós-tradução (PTM), um poderoso conjunto de reações que a natureza usa para transformar proteínas quimicamente após serem sintetizadas a partir dos genes. PTM pode modificar aminoácidos específicos em proteínas ou adicionar estruturas não proteicas, como açúcares e ácidos graxos.

"A natureza combina diferentes alfabetos químicos para fazer materiais muito sofisticados, "disse Ashutosh Chilkoti, o presidente do departamento de BME da Duke e o principal autor do artigo. "Uma maneira de fazer isso é combinando o vocabulário de aminoácidos de proteínas com outros alfabetos muito diferentes - açúcares e gorduras são apenas dois exemplos das muitas centenas de PTMs. Como cientistas de materiais, não aproveitamos os métodos da natureza para fazer materiais híbridos, e isso serviu de inspiração para esta pesquisa. "

Para fazer esse material híbrido com propriedades biomédicas úteis, pesquisadores do laboratório Chilkoti se concentraram na criação de uma série de polipeptídeos modificados por lipídios, também chamados de polipeptídeos semelhantes a elastina modificados com ácido graxo, ou FAMEs.

Quando um lipídeo é fundido a uma sequência de peptídeo, as diferentes propriedades físicas do lipídeo e do peptídeo resultam na formação de anfifílicos de peptídeos, ou PAs. PAs típicos podem se automontar em diversas estruturas, como fibras longas, tornando-os úteis como andaimes para engenharia de tecidos. Contudo, isso acontece espontaneamente e esses materiais não podem ser injetados no corpo, mas sim implantados.

A equipe de pesquisa adicionou outro biomaterial útil, polipeptídeo semelhante a elastina (ELP), porque pode mudar de um estado solúvel para um estado insolúvel, ou vice-versa, dependendo da temperatura.

Usando três componentes - um grupo miristoil lipídico, uma sequência de peptídeo formadora de folha beta, e um polipeptídeo semelhante à elastina (ELP) - os pesquisadores criaram um biomaterial híbrido, o polipeptídeo FAME, que muda de moléculas flutuando em solução para um material sólido, simplesmente aumentando a temperatura.

"Anexo de lipídios a sequência curta de peptídeos, tipicamente 5-20 aminoácidos, foram investigados por muitos anos, mas a combinação de grandes biopolímeros com lipídios ainda não havia sido explorada, "disse Davoud Mozhdehi, um pós-doutorado no laboratório de Chilkoti. “O que distingue FAMEs de PAs é a presença deste biopolímero termossensível com comprimento muito maior, normalmente 200-600 aminoácidos, na forma do ELP. "

"Essa curta sequência de peptídeo formador de folha beta constitui apenas cerca de dois por cento de toda a sequência, "Mozhdehi disse." Mas tem um grande impacto no comportamento de automontagem. Este material híbrido retém a capacidade de resposta térmica do ELP e a automontagem hierárquica do PA, criando um material único com comportamento programável. "

"Ao combinar um PA com um ELP, obtemos uma molécula que pode passar de líquida a sólida em segundos com um pequeno aumento de temperatura ", disse Chilkoti. "Isso abre novas aplicações na medicina, onde esses materiais podem ser injetados como um líquido que se transformaria em sólido dentro do corpo. "

Esta prova de conceito baseia-se em pesquisas anteriores do laboratório Chilkoti, em que os pesquisadores exploraram novas maneiras de usar enzimas para sintetizar fusões de polímero de lipídio-peptídeo híbrido entre ELPs e lipídios usando a bactéria E. coli.

"Outros haviam descoberto anteriormente que você pode retirar uma enzima específica de células eucarióticas complexas e fazê-la funcionar em E. coli, "disse Kelli Luginbuhl, um cientista pesquisador no laboratório de Chilkoti. "Normalmente, esta enzima anexa permanentemente um grupo lipídico a uma proteína, e estávamos curiosos para saber se poderíamos usar a enzima para fazer materiais híbridos de lipídio-biopolímero. Quando Davoud Mozhdehi ouviu sobre este projeto, ele teve a ideia de incorporar na mistura uma sequência curta de peptídeos direcionadores de estrutura. "

Pesquisadores do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros ajudaram a equipe da Duke completando a caracterização avançada de materiais. "Ao ouvir sobre as múltiplas estruturas formadas por esses polímeros bimanufaturados, ficamos bastante entusiasmados em participar deste projeto colaborativo para elucidar ainda mais o mecanismo de hidrogel disparado por temperatura e formação de agregados nestes materiais, "a equipe Max Planck disse em um comunicado." Nossa contribuição de dependente da temperatura, microscopia de força atômica de alta resolução e espectroscopia dependente da temperatura complementaram muito bem o trabalho do grupo Duke, e juntos fomos capazes de decifrar as transformações moleculares pelas quais esses biopolímeros únicos formam materiais hierárquicos. "

"Esses blocos de construção são conhecidos no campo e agora mostramos que combiná-los pela formação de ligações covalentes, resulta em propriedades sinérgicas e automontagem, "Mozhdehi disse." Esperamos expandir este método para outros lipídios e proteínas e desenvolver novas ferramentas e materiais para as aplicações biomédicas. "