Gli ingegneri biomedici della Duke University e della Washington University di St. Louis hanno dimostrato che, iniettando una proteina artificiale costituita da una soluzione di segmenti ordinati e disordinati, una solida impalcatura si forma in risposta al calore corporeo, e in poche settimane si integra perfettamente nei tessuti.

La capacità di combinare questi segmenti in proteine ​​con proprietà uniche consentirà ai ricercatori di controllare con precisione le proprietà di nuovi biomateriali per applicazioni nell'ingegneria dei tessuti e nella medicina rigenerativa.

La ricerca appare online il 15 ottobre sulla rivista Materiali della natura .

Le proteine ​​funzionano ripiegandosi, simile a un origami, e interagendo con specifiche strutture biomolecolari. I ricercatori in precedenza credevano che le proteine ​​avessero bisogno di una forma fissa per funzionare, ma negli ultimi due decenni c'è stato un crescente interesse per le proteine ​​intrinsecamente disordinate (IDP). A differenza delle loro controparti ben piegate, Gli sfollati interni possono adottare una pletora di strutture distinte. Però, queste preferenze strutturali non sono casuali, e recenti progressi hanno mostrato che ci sono regole ben definite che collegano le informazioni nelle sequenze di amminoacidi delle IDP alle raccolte di strutture che possono adottare.

I ricercatori hanno ipotizzato che la versatilità nella funzione proteica sia ottenibile mettendo insieme proteine ​​ben piegate con IDP, piuttosto come collane di perle. Questa versatilità è evidente in materiali biologici come fibre muscolari e di seta, che sono costituiti da proteine ​​che combinano regioni ordinate e disordinate, consentendo ai materiali di esibire caratteristiche come l'elasticità della gomma e la resistenza meccanica dell'acciaio.

Gli IDP sono strumentali alla funzione cellulare, e molti ingegneri biomedici hanno concentrato i loro sforzi su un IDP estremamente utile chiamato elastina. Una proteina altamente elastica presente in tutto il corpo, l'elastina consente ai vasi sanguigni e agli organi, come la pelle, utero e polmoni, per tornare alla loro forma originale dopo essere stati allungati o compressi. Però, creare l'elastina all'esterno del corpo si è rivelata una sfida.

Così i ricercatori hanno deciso di adottare un approccio ingegneristico riduzionista al problema.

"Eravamo curiosi di vedere quali tipi di materiali avremmo potuto realizzare aggiungendo ordine a una proteina altrimenti altamente disordinata, " ha detto Stefan Roberts, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Chilkoti e primo autore della carta.

A causa delle difficoltà legate all'utilizzo dell'elastina stessa, il team di ricerca ha lavorato con polipeptidi simili all'elastina (ELP), che sono proteine ​​completamente disordinate fatte per imitare pezzi di elastina. Gli ELP sono biomateriali utili perché possono subire cambiamenti di fase:passare da uno stato solubile a uno insolubile, o viceversa, in risposta a variazioni di temperatura. Sebbene ciò renda questi materiali utili per applicazioni come la somministrazione di farmaci a lungo termine, il loro comportamento liquido impedisce loro di essere efficaci scaffold per applicazioni di ingegneria tissutale.

Ma aggiungendo domini ordinati agli ELP, Roberts e il team hanno creato proteine ​​"Frankenstein" che combinano domini ordinati e regioni disordinate che portano alle cosiddette proteine ​​parzialmente ordinate (POP), che sono dotati della stabilità strutturale delle proteine ​​ordinate senza perdere la capacità degli ELP di diventare liquidi o solidi tramite variazioni di temperatura.

Progettato come un fluido a temperatura ambiente che si solidifica alla temperatura corporea, questi nuovi biomateriali formano una stabile, scaffold poroso quando iniettato che si integra rapidamente nel tessuto circostante con un'infiammazione minima e favorisce la formazione di vasi sanguigni.

"Questo materiale è molto stabile dopo l'iniezione. Non si degrada rapidamente e mantiene molto bene il suo volume, che è insolito per un materiale a base di proteine, " ha detto Roberts. "Le cellule prosperano anche nel materiale, ripopolando il tessuto nella zona in cui viene iniettato. Tutte queste caratteristiche potrebbero renderlo un'opzione praticabile per l'ingegneria dei tessuti e la guarigione delle ferite".

Sebbene l'impalcatura creata dal POP fosse stabile, il team ha anche osservato che il materiale si sarebbe completamente ridisciolto una volta raffreddato. Cosa c'è di più, le temperature di formazione e dissoluzione potrebbero essere controllate indipendentemente controllando i rapporti dei segmenti disordinati e ordinati nel biomateriale. Questa sintonizzabilità indipendente conferisce memorie di forma ai POP tramite un fenomeno noto come isteresi, permettendo loro di tornare alla loro forma originale dopo un segnale di temperatura.

Il team Duke ha collaborato con il laboratorio di Rohit Pappu, l'Edwin H. Murty Professor of Engineering presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica della Washington University di St. Louis per comprendere le basi molecolari del comportamento isteretico codificato in sequenza. Tyler S. Harmon, poi un dottorato in fisica. studente del laboratorio di Pappu, ha sviluppato un modello computazionale per dimostrare che l'isteresi deriva dalle interazioni differenziali delle regioni ordinate e disordinate con il solvente rispetto al solo.

"Essere in grado di simulare la base molecolare per l'isteresi sintonizzabile ci mette sulla strada per progettare materiali su misura con le strutture desiderate e i profili a memoria di forma, "Papu ha detto. "Questa sembra essere una caratteristica finora non riconosciuta della sinergia tra domini ordinati e IDP".

Andare avanti, il team spera di studiare il materiale in modelli animali per esaminare potenziali usi nell'ingegneria dei tessuti e nella guarigione delle ferite e per sviluppare una migliore comprensione del motivo per cui il materiale promuove la vascolarizzazione. Se questi studi sono efficaci, Roberts è ottimista sul fatto che il nuovo materiale potrebbe diventare la base per un'azienda biotecnologica. Vogliono anche sviluppare una comprensione più profonda delle interazioni tra le parti ordinate e disordinate in questi materiali versatili.

"Siamo rimasti così affascinati dal comportamento di fase derivato dai domini disordinati che abbiamo trascurato le proprietà dei domini ordinati, che si è rivelato molto importante, " Ha detto Chilkoti. "Combinando segmenti ordinati con segmenti disordinati c'è un intero nuovo mondo di materiali che possiamo creare con una bella struttura interna senza perdere il comportamento di fase del segmento disordinato, ed è emozionante".