Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno dimostrato un nuovo approccio alla produzione di biomateriali autoassemblati che si basa sulle modifiche delle proteine ​​e sulla temperatura. L'approccio ibrido consente ai ricercatori di controllare l'autoassemblaggio in modo più preciso, che può rivelarsi utile per una varietà di applicazioni biomediche dalla somministrazione di farmaci alla guarigione delle ferite.

La ricerca appare online il 19 marzo in Chimica della natura .

I biomateriali hanno ampie applicazioni nei campi dell'ingegneria dei tessuti, medicina rigenerativa e somministrazione di farmaci. I materiali a base di proteine ​​e peptidi sono attraenti per queste applicazioni perché non sono tossici, biodegradabili e hanno una composizione ben definita. Ma questi biomateriali sono limitati ai 20 amminoacidi presenti in natura.

Una strategia per espandere la diversità chimica dei materiali a base di proteine ​​è la modifica post-traduzionale (PTM), un potente insieme di reazioni che la natura usa per trasformare chimicamente le proteine ​​dopo che sono state sintetizzate dai geni. PTM può modificare aminoacidi specifici nelle proteine ​​o aggiungere strutture non proteiche, come zuccheri e acidi grassi.

"La natura combina diversi alfabeti chimici per creare materiali molto sofisticati, " disse Ashutosh Chilkoti, il presidente del dipartimento BME della Duke e autore principale del documento. "Un modo per farlo è combinare il vocabolario degli amminoacidi delle proteine ​​con altri alfabeti molto diversi:zuccheri e grassi sono solo due esempi delle molte centinaia di tali PTM. Come scienziati dei materiali, non abbiamo sfruttato i metodi della natura per realizzare materiali ibridi, e questo ha fornito l'ispirazione per questa ricerca."

Per realizzare un materiale così ibrido con proprietà biomediche utili, i ricercatori del laboratorio Chilkoti si sono concentrati sulla creazione di una serie di polipeptidi modificati dai lipidi, chiamati anche polipeptidi simil-elastina modificati con acidi grassi, o FAME.

Quando un lipide viene fuso in una sequenza peptidica, le diverse proprietà fisiche del lipide e del peptide determinano la formazione di peptidi anfifili, o PA. I tipici PA possono autoassemblarsi in diverse strutture come fibre lunghe, rendendoli utili come impalcature per l'ingegneria tissutale. Però, questo avviene spontaneamente e questi materiali non possono essere iniettati nel corpo ma devono essere impiantati.

Il team di ricerca ha aggiunto un altro utile biomateriale, polipeptide simile all'elastina (ELP), perché può passare da uno stato solubile a uno stato insolubile, o vice versa, a seconda della temperatura.

Utilizzando tre componenti:un gruppo lipidico miristoile, una sequenza peptidica formante foglietti beta, e un polipeptide simile all'elastina (ELP):i ricercatori hanno creato un biomateriale ibrido, il polipeptide FAME, che si trasforma da molecole che galleggiano in soluzione in un materiale solido, semplicemente alzando la temperatura.

"Attaccamento di lipidi a brevi sequenze di peptidi, tipicamente 5-20 amminoacidi, sono stati studiati per molti anni, ma la combinazione di grandi biopolimeri con lipidi non era stata esplorata, " disse Davoud Mozhdehi, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Chilkoti. "Ciò che distingue i FAME dai PA è la presenza di questo biopolimero termosensibile con una lunghezza molto maggiore, tipicamente 200-600 amminoacidi, sotto forma di ELP."

"Quella breve sequenza peptidica che forma il foglio beta costituisce solo circa il due percento dell'intera sequenza, " Ha detto Mozhdehi. "Ma ha un enorme impatto sul comportamento di autoassemblaggio. Questo materiale ibrido mantiene la reattività termica dell'ELP e l'autoassemblaggio gerarchico del PA, creando un materiale unico con un comportamento programmabile."

"Combinando un PA con un ELP, otteniamo una molecola che può passare da liquida a solida in pochi secondi con un piccolo aumento di temperatura", disse Chilkoti. "Questo apre nuove applicazioni in medicina, dove questi materiali possono essere iniettati come un liquido che poi si trasformerebbe in solido all'interno del corpo."

Questa prova di concetto si basa su ricerche precedenti del laboratorio Chilkoti, in cui i ricercatori hanno esplorato nuovi modi di utilizzare gli enzimi per sintetizzare fusioni polimeriche ibride lipide-peptidi tra ELP e lipidi utilizzando batteri E. coli.

"Altri avevano precedentemente scoperto che è possibile estrarre un enzima specifico dalle cellule eucariotiche complesse e farlo funzionare in E. coli, " disse Kelli Luginbuhl, un ricercatore nel laboratorio Chilkoti. "Normalmente, questo enzima lega permanentemente un gruppo lipidico a una proteina, ed eravamo curiosi di sapere se potevamo usare l'enzima per creare materiali ibridi lipidi-biopolimeri. Quando Davoud Mozhdehi ha sentito parlare di questo progetto, ha avuto l'idea di incorporare una breve sequenza di peptidi che dirigono la struttura nel mix."

I ricercatori del Max Planck Institute for Polymer Research hanno aiutato il team Duke completando la caratterizzazione avanzata dei materiali. "Dopo aver sentito parlare delle molteplici strutture formate da questi polimeri biofabbricati, eravamo piuttosto entusiasti di partecipare a questo progetto collaborativo per chiarire ulteriormente il meccanismo dell'idrogel innescato dalla temperatura e la formazione di aggregati in questi materiali, "Il team di Max Planck ha dichiarato in una nota. "Il nostro contributo dipende dalla temperatura, la microscopia a forza atomica ad alta risoluzione e la spettroscopia dipendente dalla temperatura hanno ben completato il lavoro del gruppo Duke, e insieme siamo stati in grado di decifrare le trasformazioni molecolari mediante le quali questi biopolimeri unici formano materiali gerarchici".

"Questi elementi costitutivi sono noti nel campo e ora abbiamo dimostrato che combinandoli formando legami covalenti, si traduce in proprietà sinergiche e autoassemblaggio, " Ha detto Mozhdehi. "Speriamo di espandere questo metodo ad altri lipidi e proteine ​​e sviluppare nuovi strumenti e materiali per le applicazioni biomediche".