Più che un segno di malattia, il muco è una parte fondamentale delle difese del nostro corpo contro le malattie. Ogni giorno, i nostri corpi producono più di un litro di sostanza scivolosa, coprendo una superficie di oltre 400 metri quadrati per intrappolare e disarmare gli invasori microbici.

Il muco è composto da mucine, proteine ​​che sono decorate con molecole di zucchero. Molti scienziati stanno cercando di creare versioni sintetiche delle mucine nella speranza di replicare i loro tratti benefici. In un nuovo studio, i ricercatori del MIT hanno ora generato mucine sintetiche con una struttura polimerica che imitano in modo più accurato la struttura e la funzione delle mucine presenti in natura. Il team ha anche dimostrato che queste mucine sintetiche potrebbero neutralizzare efficacemente la tossina batterica che causa il colera.

I risultati potrebbero aiutare a dare ai ricercatori un'idea migliore di quali caratteristiche delle mucine contribuiscono a diverse funzioni, soprattutto le loro funzioni antimicrobiche, dice Laura Kiessling, il Professore di Chimica Novartis al MIT. Replicare queste funzioni nelle mucine sintetiche potrebbe portare a nuovi modi per trattare o prevenire le malattie infettive, e tali materiali possono avere meno probabilità di portare al tipo di resistenza che si verifica con gli antibiotici, lei dice.

"Vorremmo davvero capire quali caratteristiche delle mucine sono importanti per le loro attività, e imitare quelle caratteristiche in modo da poter bloccare i percorsi di virulenza nei microbi, "dice Kiessling, chi è l'autore senior del nuovo studio.

Il laboratorio di Kiessling ha lavorato a questo progetto con Katharina Ribbeck, il Mark Hyman, Jr. Professore di sviluppo professionale di ingegneria biologica, e Richard Schrock, il F.G. Keyes Professore Emerito di Chimica, che sono anche autori dell'articolo. I principali autori del documento, che appare oggi in Scienze Centrali ACS , sono l'ex studente laureato del MIT Austin Kruger e il postdoc del MIT Spencer Brucks.

Ispirato dal muco

Kiessling e Ribbeck hanno unito le forze per provare a creare materiali ispirati al muco nel 2018, con il finanziamento di un Professor Amar G. Bose Research Grant. Gli elementi costitutivi principali del muco sono le mucine:lunghe, proteine ​​simili a scovolini con molte molecole di zucchero chiamate glicani attaccate. Ribbeck ha scoperto che queste mucine interrompono molte funzioni chiave dei batteri infettivi, compresa la loro capacità di secernere tossine, comunicare l'uno con l'altro, e si attaccano alle superfici cellulari.

Queste caratteristiche hanno portato molti scienziati a provare a generare versioni artificiali che potrebbero aiutare a prevenire o curare l'infezione batterica. Però, le mucine sono così grandi che è stato difficile replicare accuratamente la loro struttura. Ogni polimero mucinico ha una lunga spina dorsale costituita da migliaia di amminoacidi, e molti glicani differenti possono essere attaccati a queste spine dorsali.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno deciso di concentrarsi sulla spina dorsale del polimero. Per cercare di replicare la sua struttura, hanno usato una reazione chiamata polimerizzazione metatesi con apertura dell'anello. Durante questo tipo di reazione, un anello contenente carbonio viene aperto per formare una molecola lineare contenente un doppio legame carbonio-carbonio. Queste molecole possono poi essere unite insieme per formare lunghi polimeri.

Nel 2005, Schrock ha condiviso il Premio Nobel per la Chimica per il suo lavoro nello sviluppo di catalizzatori in grado di guidare questo tipo di reazione. Dopo, ha sviluppato un catalizzatore che potrebbe produrre specificamente la configurazione "cis" dei prodotti. Ogni atomo di carbonio nel doppio legame di solito ha un altro gruppo chimico attaccato ad esso, e nella configurazione cis, entrambi questi gruppi sono sullo stesso lato del doppio legame. Nella configurazione "trans", i gruppi sono sui lati opposti.

Per creare i loro polimeri, i ricercatori hanno utilizzato il catalizzatore di Schrock, che è a base di tungsteno, per formare versioni cis di polimeri mucinici mimetici. Hanno confrontato questi polimeri con quelli prodotti da un diverso, catalizzatore a base di rutenio, che crea versioni trans. Hanno scoperto che le versioni cis erano molto più simili alle mucine naturali, cioè si sono formati molto allungati, polimeri idrosolubili. In contrasto, i polimeri trans formavano globuli che si raggruppavano insieme invece di allungarsi.

Imitando le mucine

I ricercatori hanno quindi testato la capacità delle mucine sintetiche di imitare le funzioni delle mucine naturali. Quando esposto alla tossina prodotta da Vibrio cholerae, i polimeri cis allungati erano molto meglio in grado di catturare la tossina rispetto ai polimeri trans, i ricercatori hanno scoperto. Infatti, i mimici sintetici della mucina cis erano ancora più efficaci delle mucine naturali.

I ricercatori hanno anche scoperto che i loro polimeri allungati erano molto più solubili in acqua rispetto ai polimeri trans, che potrebbero renderli utili per applicazioni come colliri o idratanti per la pelle.

Ora che possono creare mucine sintetiche che imitano efficacemente la realtà, i ricercatori hanno in programma di studiare come cambiano le funzioni delle mucine quando diversi glicani sono attaccati alla spina dorsale. Alterando la composizione dei glicani, sperano di sviluppare mucine sintetiche in grado di smorzare i percorsi di virulenza di una varietà di microbi.

"Stiamo pensando a modi per imitare ancora meglio le mucine, ma questo studio è un passo importante nella comprensione di ciò che è rilevante, "Dice Kiessling.