I ricercatori hanno sviluppato un metodo semplice per creare catene proteiche corte con strutture a spirale che possono anche dissolversi in acqua, due tratti desiderabili che non si trovano spesso insieme. Tali strutture potrebbero avere applicazioni come elementi costitutivi per nanostrutture autoassemblanti e come agenti per la somministrazione di farmaci e geni.

Guidato da Jianjun Cheng, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois, il team di ricerca pubblicherà i suoi risultati nell'edizione del 22 febbraio della rivista Comunicazioni sulla natura .

Gli scienziati dei materiali si sono interessati alla progettazione di grandi molecole polimeriche che potrebbero essere utilizzate come elementi costitutivi per strutture autoassemblanti. La sfida è stata che le molecole adottano generalmente una forma globulare, forma sferica, limitando la loro capacità di formare aggregati ordinati. Però, i polipeptidi – catene di amminoacidi come le proteine ​​– possono formare strutture elicoidali. Le brevi catene polipeptidiche che adottano una forma a spirale agiscono come bastoncini cilindrici.

"Se hai due aste rigide, uno positivo e uno negativo, proprio uno accanto all'altro, si attaccheranno l'uno all'altro. Se hai un modo per mettere la carica in superficie, possono impacchettare insieme in una chiusura, modo compatto, quindi formano una struttura tridimensionale, " Ha detto Cheng.

Però, è difficile produrre polipeptidi elicoidali solubili in acqua in modo che possano essere utilizzati in soluzione. I polipeptidi ottengono la loro solubilità dalle catene laterali - strutture molecolari che derivano da ciascun collegamento amminoacidico nella catena polipeptidica. Gli amminoacidi con cariche positive o negative nelle loro catene laterali sono necessari per far disperdere un polipeptide in acqua.

Il problema sorge quando catene con catene laterali cariche formano strutture elicoidali. Le cariche provocano una forte repulsione tra le catene laterali, che destabilizza la conformazione elicoidale. Ciò fa sì che i polipeptidi idrosolubili formino strutture a spirale casuali invece delle eliche desiderate.

Nell'esplorare soluzioni all'enigma dell'elica, polipeptidi idrosolubili, i ricercatori hanno provato diversi metodi complicati. Per esempio, gli scienziati hanno tentato di innestare sostanze chimiche altamente solubili in acqua sulle catene laterali per aumentare la solubilità complessiva dei polipeptidi, oppure creando eliche con cariche solo da un lato.

"Puoi ottenere la struttura elicoidale e la solubilità, ma devi progettare la struttura elicoidale in un modo molto speciale. Il design del peptide ha bisogno di una sequenza molto specifica. Quindi sei molto limitato nel tipo di polipeptide che puoi costruire, e non è facile progettare o gestire questi polipeptidi, " Ha detto Cheng.

In contrasto, Il gruppo di Cheng ha sviluppato una soluzione molto semplice. Poiché la stretta vicinanza delle cariche provoca la repulsione che interrompe l'elica, i ricercatori hanno semplicemente allungato le catene laterali, allontanando le cariche dalla spina dorsale e dando loro più libertà di mantenere le distanze l'una dall'altra.

I ricercatori hanno osservato che aumentando la lunghezza delle catene laterali con cariche all'estremità, è aumentata anche la propensione dei polipeptidi a formare eliche.

"È un'idea così semplice:allontanare la carica dalla spina dorsale, " Cheng ha detto. "Non è affatto difficile fare le catene laterali più lunghe, e ha proprietà sorprendenti per avvolgere strutture elicoidali semplicemente spingendo la distanza tra la carica e la spina dorsale".

Il gruppo ha scoperto che non solo i polipeptidi con lunghe catene laterali formano eliche, mostrano una notevole stabilità anche se confrontati con eliche prive di carica. Le eliche sembrano immuni alla temperatura, pH, e altri agenti denaturanti che svolgerebbero la maggior parte dei polipeptidi.

Questo potrebbe spiegare perché gli amminoacidi con grandi catene laterali idrofobiche non si trovano in natura. Tale immutabilità precluderebbe l'avvolgimento e lo svolgimento dinamico delle strutture proteiche, che è essenziale per molti processi biologici. Però, la stabilità rigida è un tratto desiderabile per i tipi di applicazioni che il gruppo di Cheng esplora:nanostrutture per la somministrazione di farmaci e geni, mirando in particolare ai tumori cancerosi e alle cellule staminali.

"Vogliamo testare la correlazione tra le lunghezze delle eliche e la circolazione nel corpo per vedere qual è l'impatto della forma e della carica e le catene laterali per lo spazio nel corpo, " Ha detto Cheng. "Studi recenti mostrano che il rapporto di aspetto delle nanostrutture - strutture sferiche rispetto ai tubi - ha un enorme impatto sulla loro penetrazione nei tessuti tumorali e sull'emivita di circolazione nel corpo".

Cheng prevede di creare una libreria di brevi polipeptidi elicoidali di varie lunghezze di dorsale, lunghezze della catena laterale e tipi di carica. Spera di semplificare ulteriormente la chimica e di rendere i materiali ampiamente accessibili. Il suo laboratorio ha già dimostrato che le strutture elicoidali possono essere efficaci agenti di consegna genica e di trasduzione della membrana, e la costruzione della libreria di molecole elicoidali solubili consentirà ulteriori indagini sull'adattamento di tali nanostrutture per specifiche applicazioni biomediche.