Cientistas aprendem com lagartas como criar cápsulas automontáveis para entrega de medicamentos
Sequenciamento de novo e triagem de peptídeos formadores de nanocápsulas de O. furnacalis. a, Imagens de uma larva de O. furnacalis (i) e sua cápsula cefálica 0 min (ii) e 75 min (iii) após a quarta muda. A cápsula principal dentro da caixa tracejada laranja foi usada para análise proteômica. b, Mapa de calor mostrando a abundância de proteínas identificadas no transcriptoma da cápsula da cabeça de O. furnacalis. c, Triagem de sequências peptídicas de cutícula de inseto a partir de proteínas cuticulares. d, Sequências dos ICPs selecionados. e, Ilustração esquemática do processo de preparação de nanocápsulas peptídicas. f, Imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de nanoestruturas peptídicas:nanocápsulas WA30 (esquerda) e NS36 (meio) e nanopartículas QH33 (direita). Crédito:Nanotecnologia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01654-w Moléculas automontáveis que se organizam espontaneamente para formar estruturas complexas são comuns na natureza. Por exemplo, a dura camada externa dos insetos, chamada cutícula, é rica em proteínas que podem se automontar.
A automontagem é uma forma econômica, ambientalmente sustentável e rápida de fabricar nanoestruturas com aplicações críticas em diversos setores, desde a terapêutica até máquinas auto-replicantes.
Aproveitando as capacidades de automontagem de proteínas das cutículas das lagartas asiáticas da broca do milho (Ostrinia furnacalis), cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, Singapura (NTU Singapura), criaram cápsulas nanométricas que poderiam ser usadas para fornecer medicamentos e RNA mensageiro (mRNA). O mRNA é uma molécula que instrui as células a produzir proteínas e tem sido usada nas vacinas COVID-19.
Encontrada em regiões que vão da China à Austrália, a mariposa asiática da broca do milho é uma praga agrícola que destrói as plantações de milho, sendo as lagartas as que causam os danos. A cutícula da cabeça da lagarta a protege e confere propriedades mecânicas únicas.
Os pesquisadores analisaram as proteínas da cutícula das cabeças das lagartas asiáticas da broca do milho para identificar cadeias de aminoácidos, conhecidas como peptídeos, que poderiam se agrupar em estruturas ordenadas de forma independente.
Eles examinaram as proteínas em busca de peptídeos que continham a mesma sequência de aminoácidos repetidas três ou mais vezes, com cada sequência consistindo em pelo menos cinco aminoácidos. Devido às interações entre os aminoácidos repetidos, os peptídeos com esta propriedade provavelmente sofrerão automontagem.
Os cientistas identificaram três peptídeos que poderiam se automontar para formar nanocápsulas ocas a partir de suas análises.
A pesquisa foi liderada pelo professor associado Yu Jing da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da NTU, pelo ex-professor ilustre da Universidade NTU Gao Huajian (agora professor da Universidade Xinghua na Universidade de Tsinghua), pelo professor Liu Tian da Universidade de Tecnologia de Dalian e pelo professor Yang Qing da Universidade de Tsinghua. Academia Chinesa de Ciências Agrárias.
O gradiente de concentração na interface das gotículas, criado pela difusão de água e acetona, impulsiona a formação de nanocápsulas. Crédito:NTU Cingapura.
Os pesquisadores estão solicitando uma patente para sua inovação, com base nos resultados do estudo relatados na Nature Nanotechnology em abril de 2024.
Em comparação com os métodos convencionais de administração de medicamentos, as nanocápsulas não são tóxicas e podem fornecer eficientemente vários medicamentos com propriedades diferentes.
Nanocápsulas automontáveis inspiradas na natureza
O processo de automontagem é impulsionado por diferenças nas concentrações químicas, que fazem com que os peptídeos se unam como peças de Lego e formem estruturas estáveis.
Os cientistas criaram versões sintéticas dos peptídeos naturais automontados encontrados nas lagartas e dissolveram cada peptídeo em água. Eles então adicionaram o solvente orgânico acetona às soluções peptídicas para iniciar a automontagem.
Os pesquisadores descobriram que a automontagem dos peptídeos ocorre em duas etapas. Primeiro, a solução peptídica formou gotículas imediatamente quando a acetona foi adicionada. Em seguida, a difusão da acetona nas gotículas e da água nas gotículas cria um gradiente de concentração na interface das gotículas que faz com que os peptídeos se montem em estruturas semelhantes a folhas chamadas folhas beta, eventualmente formando nanocápsulas ocas esféricas. Todo o processo ocorre 10 minutos após a mistura inicial.
Os cientistas também poderiam ajustar o tamanho das nanocápsulas ajustando a proporção de peptídeos em relação ao diisocianato de isoforona. Este composto une os peptídeos para estabilizar as nanocápsulas.
"Até onde sabemos, esta é a primeira vez que nanocápsulas peptídicas foram criadas sem modelos, abrindo caminho para um sistema de entrega de medicamentos personalizável", disse Assoc Prof Yu.
"Nossas nanocápsulas peptídicas abrem as portas para várias aplicações biomédicas potenciais, como distribuição de medicamentos e terapia genética."
As cápsulas formadas por um dos peptídeos. Crédito:NTU Cingapura.
Um sistema versátil de administração de medicamentos
Os pesquisadores demonstraram que as nanocápsulas poderiam ser usadas para capturar e entregar “cargas”, como medicamentos quimioterápicos e anticorpos. Ao modificar as cadeias peptídicas, eles também poderiam usar as nanocápsulas para entregar mRNA.
As nanocápsulas contendo drogas e mRNA não eram tóxicas e foram absorvidas com sucesso por uma variedade de células.
"Ao compreender o comportamento dos peptídeos de automontagem na natureza, podemos projetá-los para fornecer uma ampla variedade de medicamentos e compostos terapêuticos", diz o Dr. Li Haopeng, pesquisador da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da NTU e primeiro autor de o estudo.
"Não estamos apenas descobrindo os segredos da automontagem, mas também traduzindo-os em soluções do mundo real que podem beneficiar nossas vidas", diz o Dr. Qian Xuliang, pesquisador da Escola de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da NTU e co-primeiro autor do estudo.
Na próxima etapa, os pesquisadores explorarão o uso de tecnologias de inteligência artificial, como aprendizado de máquina, para identificar automaticamente outros peptídeos naturais de automontagem.
