In natura sono comuni le molecole autoassemblanti che si organizzano spontaneamente per formare strutture complesse. Ad esempio, il duro strato esterno degli insetti, chiamato cuticola, è ricco di proteine in grado di autoassemblarsi.
L'autoassemblaggio è un modo economico, sostenibile dal punto di vista ambientale e rapido per produrre nanostrutture con applicazioni critiche in vari settori, da quelli terapeutici alle macchine autoreplicanti.
Sfruttando le capacità di autoassemblaggio delle proteine delle cuticole dei bruchi asiatici della piralide del mais (Ostrinia furnacalis), gli scienziati della Nanyang Technological University di Singapore (NTU Singapore) hanno creato capsule nanometriche che potrebbero essere utilizzate per fornire farmaci e RNA messaggero (mRNA). L'mRNA è una molecola che ordina alle cellule di produrre proteine ed è stata utilizzata nei vaccini contro il COVID-19.
Trovato in regioni dalla Cina all'Australia, la falena asiatica della piralide del mais è un parassita agricolo che distrugge i raccolti di mais, e i bruchi causano il danno. La cuticola della testa del bruco lo protegge e gli conferisce proprietà meccaniche uniche.
I ricercatori hanno analizzato le proteine nella cuticola delle teste dei bruchi asiatici della piralide del mais per identificare catene di amminoacidi, note come peptidi, che potrebbero assemblarsi in strutture ordinate in modo indipendente.
Hanno analizzato le proteine per individuare peptidi che contenevano la stessa sequenza di amminoacidi ripetuta tre o più volte, con ciascuna sequenza composta da almeno cinque amminoacidi. A causa delle interazioni tra gli amminoacidi ripetuti, i peptidi con questa proprietà probabilmente subiranno un autoassemblaggio.
Dalle loro analisi gli scienziati hanno identificato tre peptidi che potrebbero autoassemblarsi per formare nanocapsule cave.
La ricerca è stata condotta dal prof. Assoc Yu Jing della Scuola di scienza e ingegneria dei materiali della NTU, dall'ex professore universitario distinto della NTU Gao Huajian (ora professore della Xinghua University presso l'Università di Tsinghua), dal prof. Liu Tian della Dalian University of Technology e dal prof. Yang Qing della Accademia Cinese delle Scienze Agrarie.
I ricercatori stanno richiedendo un brevetto per la loro innovazione, sulla base dei risultati dello studio riportati in Nature Nanotechnology nell'aprile 2024.
Rispetto ai metodi convenzionali di somministrazione dei farmaci, le nanocapsule non sono tossiche e possono rilasciare in modo efficiente vari farmaci con proprietà diverse.
Il processo di autoassemblaggio è guidato dalle differenze nelle concentrazioni chimiche, che fanno sì che i peptidi si uniscano come mattoncini Lego e formino strutture stabili.
Gli scienziati hanno creato versioni sintetiche dei peptidi naturali autoassemblanti presenti nei bruchi e hanno sciolto ciascun peptide in acqua. Hanno poi aggiunto il solvente organico acetone alle soluzioni peptidiche per avviare l'autoassemblaggio.
I ricercatori hanno scoperto che l'autoassemblaggio dei peptidi avviene in due fasi. Innanzitutto, la soluzione peptidica formava goccioline immediatamente quando veniva aggiunto l'acetone. Successivamente, la diffusione dell’acetone nelle goccioline e dell’acqua fuori dalle goccioline crea un gradiente di concentrazione all’interfaccia delle goccioline che innesca l’assemblaggio dei peptidi in strutture simili a fogli chiamate fogli beta, formando infine nanocapsule cave sferiche. L'intero processo avviene entro 10 minuti dalla miscelazione iniziale.
Gli scienziati potrebbero anche ottimizzare le dimensioni delle nanocapsule regolando il rapporto tra peptidi e isoforone diisocianato. Questo composto collega insieme i peptidi per stabilizzare le nanocapsule.
"Per quanto ne sappiamo, questa è la prima volta che le nanocapsule peptidiche vengono create senza modelli, aprendo la strada a un sistema di somministrazione di farmaci personalizzabile", ha affermato il prof. Yu dell'Assoc.
"Le nostre nanocapsule peptidiche aprono la porta a varie potenziali applicazioni biomediche, come la somministrazione di farmaci e la terapia genica."
Un sistema versatile per la somministrazione di farmaci
I ricercatori hanno dimostrato che le nanocapsule potrebbero essere utilizzate per intrappolare e trasportare “carico” come farmaci chemioterapici e anticorpi. Modificando le catene peptidiche, potrebbero anche utilizzare le nanocapsule per fornire mRNA.
Le nanocapsule contenenti farmaci e mRNA non erano tossiche e venivano assorbite con successo da una varietà di cellule.
"Comprendendo il comportamento dei peptidi autoassemblanti in natura, possiamo ingegnerizzarli per fornire un'ampia varietà di farmaci e composti terapeutici", afferma il dottor Li Haopeng, ricercatore della Scuola di scienza e ingegneria dei materiali della NTU e primo autore dello studio. lo studio.
"Non stiamo solo scoprendo i segreti dell'autoassemblaggio, ma anche traducendoli in soluzioni reali che possono apportare benefici alle nostre vite", afferma il dott. Qian Xuliang, ricercatore della Scuola di ingegneria meccanica e aerospaziale della NTU e co-primo autore dello studio.
Nella fase successiva, i ricercatori esploreranno l'utilizzo di tecnologie di intelligenza artificiale come l'apprendimento automatico per identificare automaticamente altri peptidi naturali autoassemblanti.
Ulteriori informazioni: Haopeng Li et al, Autoassemblaggio di nanocapsule peptidiche mediante gradiente di concentrazione di solvente, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01654-w
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito da Nanyang Technological University
