Engenheiros biomédicos da Duke University e da Washington University em St. Louis demonstraram que, injetando uma proteína artificial feita de uma solução de segmentos ordenados e desordenados, um andaime sólido se forma em resposta ao calor do corpo, e em poucas semanas se integra perfeitamente ao tecido.

A capacidade de combinar esses segmentos em proteínas com propriedades únicas permitirá aos pesquisadores controlar com precisão as propriedades de novos biomateriais para aplicações em engenharia de tecidos e medicina regenerativa.

A pesquisa aparece online no dia 15 de outubro na revista. Materiais da Natureza .

As proteínas funcionam dobrando-se, como origami, e interagir com estruturas biomoleculares específicas. Os pesquisadores acreditavam que as proteínas precisavam de uma forma fixa para funcionar, mas nas últimas duas décadas tem havido um interesse crescente em proteínas intrinsecamente desordenadas (IDPs). Ao contrário de suas contrapartes bem dobradas, Os deslocados internos podem adotar uma infinidade de estruturas distintas. Contudo, essas preferências estruturais não são aleatórias, e avanços recentes têm mostrado que existem regras bem definidas que conectam informações nas sequências de aminoácidos de IDPs às coleções de estruturas que eles podem adotar.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que a versatilidade na função da proteína é alcançável juntando proteínas bem dobradas com IDPs - um pouco como colares de pérolas. Essa versatilidade é óbvia em materiais biológicos como fibras musculares e de seda, que são feitos de proteínas que combinam regiões ordenadas e desordenadas, permitindo que os materiais exibam características como elasticidade da borracha e resistência mecânica do aço.

Os IDPs são fundamentais para a função celular, e muitos engenheiros biomédicos concentraram seus esforços em um IDP extremamente útil chamado elastina. Uma proteína altamente elástica encontrada em todo o corpo, a elastina permite vasos sanguíneos e órgãos - como a pele, útero e pulmões - para retornar à sua forma original após serem alongados ou comprimidos. Contudo, criar a elastina fora do corpo revelou-se um desafio.

Portanto, os pesquisadores decidiram adotar uma abordagem de engenharia reducionista para o problema.

"Estávamos curiosos para ver que tipos de materiais poderíamos fazer adicionando ordem a uma proteína altamente desordenada, "disse Stefan Roberts, um Ph.D. aluno do laboratório de Chilkoti e primeiro autor do artigo.

Devido aos desafios de usar a própria elastina, a equipe de pesquisa trabalhou com polipeptídeos semelhantes à elastina (ELPs), que são proteínas totalmente desordenadas feitas para imitar pedaços de elastina. ELPs são biomateriais úteis porque podem sofrer mudanças de fase - ir de um estado solúvel para um insolúvel, ou vice-versa - em resposta às mudanças de temperatura. Embora isso torne esses materiais úteis para aplicações como entrega de medicamentos de longo prazo, seu comportamento de líquido impede que sejam andaimes eficazes para aplicações de engenharia de tecidos.

Mas, ao adicionar domínios ordenados aos ELPs, Roberts e a equipe criaram proteínas "Frankenstein" que combinam domínios ordenados e regiões desordenadas levando às chamadas proteínas parcialmente ordenadas (POPs), que são equipados com a estabilidade estrutural de proteínas ordenadas sem perder a capacidade de ELPs de se tornarem líquidos ou sólidos por meio de mudanças de temperatura.

Projetado como um fluido à temperatura ambiente que se solidifica na temperatura corporal, esses novos biomateriais formam uma estrutura estável, andaime poroso quando injetado que se integra rapidamente ao tecido circundante com inflamação mínima e promove a formação de vasos sanguíneos.

"Este material é muito estável após a injeção. Não se degrada rapidamente e mantém seu volume muito bem, o que é incomum para um material à base de proteína, "Roberts disse." As células também prosperam no material, repovoar o tecido na área onde é injetado. Todas essas características podem torná-lo uma opção viável para engenharia de tecidos e cicatrização de feridas. "

Embora o andaime criado pelo POP fosse estável, a equipe também observou que o material se dissolvia completamente depois de resfriado. O que mais, as temperaturas de formação e dissolução podem ser controladas de forma independente, controlando as razões de segmentos desordenados e ordenados no biomaterial. Esta capacidade de ajuste independente confere memórias de forma aos POPs por meio de um fenômeno conhecido como histerese, permitindo que eles voltem à sua forma original após uma indicação de temperatura.

A equipe Duke colaborou com o laboratório de Rohit Pappu, o Professor Edwin H. Murty de Engenharia do Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade de Washington em St. Louis para compreender a base molecular do comportamento histérico codificado por sequência. Tyler S. Harmon, em seguida, um Ph.D. em Física. estudante no laboratório Pappu, desenvolveu um modelo computacional para mostrar que a histerese surge das interações diferenciais de regiões ordenadas e desordenadas com solvente versus sozinho.

"Ser capaz de simular a base molecular para histerese sintonizável nos coloca no caminho para projetar materiais sob medida com estruturas desejadas e perfis de memória de forma, "Pappu disse." Esta parece ser uma característica até então não reconhecida da sinergia entre domínios ordenados e IDPs. "

Avançar, a equipe espera estudar o material em modelos animais para examinar os usos potenciais na engenharia de tecidos e na cicatrização de feridas e para desenvolver uma melhor compreensão de por que o material promove a vascularização. Se esses estudos forem eficazes, Roberts está otimista de que o novo material pode se tornar a base para uma empresa de biotecnologia. Eles também desejam desenvolver uma compreensão mais profunda das interações entre as porções ordenadas e desordenadas nesses materiais versáteis.

"Ficamos tão fascinados com o comportamento de fase derivado dos domínios desordenados que negligenciamos as propriedades dos domínios ordenados, que acabou sendo muito importante, "Chilkoti disse." Ao combinar segmentos ordenados com segmentos desordenados, há um novo mundo de materiais que podemos criar com uma bela estrutura interna sem perder o comportamento de fase do segmento desordenado, e isso é emocionante. "