Gli IDPP LCST mostrano un'ampia gamma di comportamenti di fase isteretica. (A) L'analisi del comportamento di fase reversibile degli IDPP LCST nella nostra libreria ha rivelato tre gruppi di motivi ripetuti, in cui i motivi in ciascun gruppo codificano uno dei tre tipi di comportamento di fase caratterizzato da differenze nel grado di isteresi termica osservata durante il raffreddamento al di sotto della temperatura del punto di intorbidamento, che vanno da (i) trascurabile (~0°C) e (ii) moderato (da 10° a 30°C) a (iii) grande, isteresi sensibile all'ambiente. Qui, mostriamo la torbidità ottica dipendente dalla temperatura su un ciclo completo di riscaldamento e raffreddamento oltre il Tcp per tre IDPP rappresentativi che mostrano l'intera gamma di comportamenti isteretici osservati. Come guida per l'occhio, ogni pannello include una legenda con un indicatore qualitativo del grado di isteresi per ogni motivo ripetuto. (B) Gli IDPP costituiti da ripetizioni (VAPVG) mostrano gradi altamente riproducibili di isteresi termica su più cicli di separazione di fase. (C) Estensione dei dati in (A) che esaminano il comportamento di fase di (VGAPVG)35 per mostrare il suo grande, isteresi sensibile all'ambiente, poiché mostra (in esperimenti separati) un'isteresi termica elevata o trascurabile a seconda della temperatura massima (indicata dalle frecce) raggiunta durante la parte di riscaldamento del ciclo. (D) Comportamento in fase isteretica degli IDPP con un numero crescente di ripetizioni (VAPVG). (E) Analisi degli IDPP in (D) ma variando la velocità di raffreddamento (da 1° a 0,1°C/min). Per migliorare la visualizzazione dei dati, i corrispondenti Tcp in riscaldamento sono indicati come linee tratteggiate verticali. Tutte le misurazioni della torbidità ottica sono state eseguite a una concentrazione fissa di 50 μM in PBS, con riscaldamento e raffrescamento a 1°C/min, salvo diversa indicazione. Credito: Progressi scientifici (2019). DOI:10.1126/sciadv.aax5177
Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno dimostrato di poter creare materiali stabili da proteine disordinate ingegnerizzate alterando i fattori scatenanti ambientali che le fanno subire transizioni di fase.
Questa scoperta fa luce su comportamenti precedentemente inesplorati delle proteine disordinate e consente ai ricercatori di creare nuovi materiali per applicazioni nella somministrazione di farmaci, Ingegneria dei tessuti, medicina rigenerativa e biotecnologie.
La ricerca è apparsa online il 18 ottobre in Progressi scientifici .
Le proteine funzionano piegandosi in forme 3D che interagiscono con diverse strutture biomolecolari. I ricercatori in precedenza credevano che le proteine dovessero piegarsi in una forma fissa specifica per funzionare, ma negli ultimi due decenni, gli ingegneri che cercano di creare nuovi materiali per applicazioni biomediche hanno rivolto la loro attenzione a proteine intrinsecamente disordinate, chiamati sfollati interni, che si spostano dinamicamente tra una vasta gamma di strutture.
Gli IDP sono particolarmente utili per scopi biomedici perché possono subire transizioni di fase –– passando da un liquido a un gel, Per esempio, o uno stato solubile in uno stato insolubile, e viceversa –– in risposta a fattori scatenanti ambientali, come i cambiamenti di temperatura. Questa capacità ha reso gli sfollati interni uno strumento di riferimento per la somministrazione di farmaci a lungo termine, poiché gli IDP possono essere iniettati in forma liquida nel corpo e quindi solidificarsi in un deposito di gel che rilascia lentamente i farmaci.
Ma mentre la loro struttura flessibile rende gli IDP utili in una varietà di applicazioni, i ricercatori in precedenza pensavano che questa flessibilità limitasse la stabilità dei materiali risultanti.
Nel loro recente articolo, Ashutosh Chilkoti, la cattedra di Duke Biomedical Engineering, e Felipe Garcia Quiroz, un dottorato di ricerca laureato al Chilkoti Lab che è un borsista post-dottorato presso la Rockefeller University, dimostrare che possono mettere a punto con precisione la stabilità dei materiali a base di IDP controllando la velocità con cui gli IDP si associano e si dissociano in risposta ai segnali ambientali.
"A differenza delle proteine ben ripiegate, gli sfollati interni convenzionali hanno difficoltà a schermare le diverse parti delle loro strutture l'una dall'altra, " Ha detto Quiroz. "Quindi, man mano che gli sfollati interni diventano più abbondanti in una soluzione, iniziano a scontrarsi e scontrarsi frequentemente, con alcune delle loro strutture esposte che si attaccano debolmente e si rompono rapidamente".
Se il tasso di associazione e dissociazione è uguale, l'IDP è in equilibrio e non subisce alcun cambiamento di comportamento. Ma se qualcosa nell'ambiente cambia, come la temperatura, poi i segmenti degli sfollati interni restano uniti per periodi di tempo più lunghi, e si rompono con meno frequenza, risultante in una transizione di fase da uno stato solubile a uno insolubile che può essere sfruttato per costruire materiali.
Dopo aver rimosso lo stimolo ambientale, però, gli sfollati interni convenzionali tornano ad esibire associazioni molto deboli, e i materiali precedentemente assemblati si sfaldano.
Nel loro nuovo lavoro, Chilkoti e Quiroz hanno creato materiali utilizzando IDP di nuova concezione che cambiano fase a diverse temperature, e dimostrato che dopo la separazione di fase, questi sfollati interni vengono eliminati dal loro consueto comportamento di equilibrio. Questo innesca un processo noto come isteresi, in cui gli sfollati interni rimarranno uniti anche se l'innesco ambientale della fase di transizione iniziale viene rimosso.
"La cosa eccitante del nostro nuovo lavoro è che abbiamo dimostrato che possiamo regolare il grado di isteresi per identificare i progetti in cui queste proteine si uniranno prontamente, e una volta che queste associazioni emergono, diventa molto difficile romperli, " Ha detto Quiroz. "Gli sfollati interni sono generalmente considerati debolmente appiccicosi, ma ora mostriamo che è possibile progettare IDP super appiccicosi, che diventano elementi costitutivi molto stabili."
"Quella super viscosità emerge solo dopo aver applicato un innesco ambientale, quindi altrimenti si comportano come normali sfollati interni e non dobbiamo preoccuparci della loro viscosità mentre li gestiamo, " Ha detto Quiroz. "Dal punto di vista dei materiali, molti dei nostri materiali preferiti sono quelli facili da preparare, ma può maturare rapidamente in uno stato altamente stabile e difficile da interrompere. Il cemento ne è un ottimo esempio".
Dimostrando che potrebbero ricavare un materiale altamente stabile dagli sfollati interni, Quiroz ha detto, potrebbero basarsi sul lavoro precedente con gli sfollati interni in campi come la medicina rigenerativa. Per esempio, nella loro forma liquida, Gli sfollati interni possono fluire in una cavità della ferita, adotta la sua forma e poi si trasforma in un gel per fornire supporto strutturale e reclutare cellule chiave per la riparazione dei tessuti.
Poiché gli attuali materiali basati su IDP mancano di stabilità, il loro effetto è di breve durata poiché si erodono abbastanza rapidamente, ma questo nuovo approccio potrebbe rendere gli sfollati interni una buona fonte di nuovi materiali per la guarigione delle ferite.
"Gli sfollati hanno avuto una serie di caratteristiche note, e abbiamo lavorato all'interno di quella gamma di caratteristiche per esplorare potenziali applicazioni biomediche negli ultimi due decenni, " Ha detto Quiroz. "Ma ora abbiamo essenzialmente nuovi strumenti con cui giocare, e questo ci permette di essere più creativi. La nostra scoperta aggiunge complessità a ciò che siamo in grado di fare con i materiali basati su IDP per applicazioni che abbracciano la scienza dei materiali e la biologia, che è emozionante."
