LCST IDPPs exibem uma ampla gama de comportamentos de fase histérica. (A) A análise do comportamento da fase reversível de LCST IDPPs em nossa biblioteca revelou três grupos de motivos repetidos, em que os motivos em cada grupo codificam um dos três tipos de comportamento de fase caracterizado por diferenças no grau de histerese térmica vista no resfriamento abaixo da temperatura do ponto de nuvem, variando de (i) insignificante (~ 0 ° C) e (ii) moderado (10 ° a 30 ° C) a (iii) grande, histerese ambientalmente sensível. Aqui, mostramos a turbidez óptica dependente da temperatura ao longo de um ciclo completo de aquecimento e resfriamento, passando o Tcp para três IDPPs representativos que exibem toda a gama de comportamentos histéricos observados. Como um guia para os olhos, cada painel inclui uma legenda com um indicador qualitativo do grau de histerese para cada motivo de repetição. (B) IDPPs feitos de (VAPVG) repetições exibem graus altamente reprodutíveis de histerese térmica ao longo de vários ciclos de separação de fase. (C) Extensão de dados em (A) examinando o comportamento de fase de (VGAPVG) 35 para mostrar seu grande, histerese ambientalmente sensível, como mostra (em experimentos separados) histerese térmica grande ou desprezível dependendo da temperatura máxima (mostrada por setas) alcançada durante a parte de aquecimento do ciclo. (D) Comportamento da fase histerética de IDPPs com um número crescente de repetições (VAPVG). (E) Análise de IDPPs em (D), mas variando a taxa de resfriamento (de 1 ° a 0,1 ° C / min). Para melhorar a visualização de dados, o Tcp correspondente no aquecimento é mostrado como linhas tracejadas verticais. Todas as medições de turbidez óptica foram realizadas em uma concentração fixa de 50 μM em PBS, com aquecimento e resfriamento a 1 ° C / min, salvo indicação em contrário. Crédito: Avanços da Ciência (2019). DOI:10.1126 / sciadv.aax5177
Engenheiros biomédicos da Duke University demonstraram que podem criar materiais estáveis a partir de proteínas desordenadas modificadas alterando os gatilhos ambientais que os fazem sofrer transições de fase.
Esta descoberta ilumina comportamentos anteriormente inexplorados de proteínas desordenadas e permite aos pesquisadores criar novos materiais para aplicações na entrega de drogas, engenharia de tecidos, medicina regenerativa e biotecnologia.
A pesquisa apareceu online em 18 de outubro em Avanços da Ciência .
As proteínas funcionam dobrando-se em formas 3-D que interagem com diferentes estruturas biomoleculares. Os pesquisadores acreditavam que as proteínas precisavam se dobrar em uma forma fixa específica para funcionar, mas nas últimas duas décadas, engenheiros que buscam criar novos materiais para aplicações biomédicas voltaram sua atenção para proteínas intrinsecamente desordenadas, chamados IDPs, que mudam dinamicamente entre uma ampla gama de estruturas.
Os IDPs são especialmente úteis para fins biomédicos porque podem sofrer transições de fase - mudando de um líquido para um gel, por exemplo, ou um estado solúvel a insolúvel, e vice-versa –– em resposta a fatores ambientais, como mudanças de temperatura. Essa capacidade tornou os deslocados internos uma ferramenta indispensável para a entrega de medicamentos a longo prazo, como IDPs podem ser injetados na forma líquida no corpo e, em seguida, solidificar em um depósito de gel que libera medicamentos lentamente.
Mas, embora sua estrutura flexível torne os IDPs úteis em uma variedade de aplicações, pesquisadores pensaram anteriormente que essa flexibilidade limitava a estabilidade dos materiais resultantes.
Em seu artigo recente, Ashutosh Chilkoti, a cadeira da Duke Biomedical Engineering, e Felipe Garcia Quiroz, um Ph.D. graduado pelo Chilkoti Lab e pós-doutorado na Rockefeller University, demonstrar que eles podem ajustar com precisão a estabilidade de materiais baseados em IDP, controlando a rapidez com que os IDPs se associam e se dissociam em resposta a estímulos ambientais.
"Ao contrário das proteínas bem dobradas, Os deslocados internos convencionais têm dificuldade em proteger as diferentes partes de suas estruturas umas das outras, "Quiroz disse." Assim, à medida que os deslocados internos se tornam mais abundantes em uma solução, eles começam a colidir e entrar em conflito com frequência, com algumas de suas estruturas expostas fracamente aderindo umas às outras e se separando rapidamente. "
Se a taxa de associação e dissociação for igual, o IDP está em equilíbrio e não sofre nenhuma mudança de comportamento. Mas se algo muda no ambiente, como temperatura, então, os segmentos dos IDPs ficam juntos por longos períodos de tempo, e eles se separam com menos frequência, resultando em uma transição de fase de um estado solúvel para um insolúvel que pode ser aproveitado para construir materiais.
Ao remover o estímulo ambiental, Contudo, IDPs convencionais voltam a exibir associações muito fracas, e os materiais previamente montados se desfazem.
Em seu novo trabalho, Chilkoti e Quiroz criaram materiais usando IDPs recém-projetados que mudam de fase em diferentes temperaturas, e demonstrou que após a separação de fases, esses deslocados internos são eliminados de seu comportamento de equilíbrio usual. Isso aciona um processo conhecido como histerese, em que os IDPs ficarão juntos mesmo se o gatilho ambiental da transição de fase inicial for removido.
"O que é empolgante em nosso novo trabalho é que mostramos que podemos ajustar o grau de histerese para identificar projetos nos quais essas proteínas se unirão prontamente, e uma vez que essas associações surjam, fica muito difícil quebrá-los, "Quiroz disse." Os deslocados internos são normalmente considerados fracamente pegajosos, mas agora mostramos que é possível projetar IDPs super pegajosos, que se tornam blocos de construção muito estáveis. "
"Essa super pegajosidade só surge depois de aplicarmos um gatilho ambiental, então, de outra forma, eles se comportam como IDPs regulares e não precisamos nos preocupar com sua aderência ao lidar com eles, "Quiroz disse." Do ponto de vista dos materiais, muitos de nossos materiais favoritos são fáceis de preparar, mas pode amadurecer rapidamente para um estado que é altamente estável e difícil de interromper. O cimento é um grande exemplo disso. "
Ao mostrar que eles poderiam fazer um material altamente estável com os deslocados internos, Quiroz disse, eles poderiam desenvolver trabalhos anteriores com deslocados internos em campos como a medicina regenerativa. Por exemplo, em sua forma líquida, IDPs podem fluir para uma cavidade de ferida, adote sua forma e então transforme-se em um gel para fornecer suporte estrutural e recrutar células-chave para o reparo do tecido.
Como os materiais atuais baseados em IDP carecem de estabilidade, seu efeito é de curta duração, pois eles se corroem rapidamente, mas essa nova abordagem pode tornar os deslocados internos uma boa fonte de novos materiais para a cicatrização de feridas.
"Os deslocados internos têm um conjunto de características conhecidas, e temos trabalhado dentro dessa gama de características para explorar potenciais aplicações biomédicas nas últimas duas décadas, "Quiroz disse." Mas agora temos essencialmente novas ferramentas para brincar, e isso nos permite ser mais criativos. Nossa descoberta adiciona complexidade ao que somos capazes de fazer com materiais baseados em IDP para aplicações que abrangem ciência e biologia de materiais, o que é empolgante. "
