La resilina es una proteína elastomérica que se encuentra en muchos insectos y otros artrópodos. Proporciona elasticidad de caucho suave a órganos y tejidos mecánicamente activos; por ejemplo, permite a insectos de muchas especies saltar o girar sus alas de manera eficiente. La resilina fue descubierta por primera vez por Torkel Weis-Fogh en las bisagras de las alas de las langostas.
La resilina es actualmente la proteína elástica más eficiente que se conoce (Elvin et al., 2005). Se ha informado que la eficiencia elástica de la resilina aislada del tendón de la langosta es del 97% (sólo el 3% de la energía almacenada se pierde en forma de calor). No tiene ninguna estructura regular, pero sus cadenas enrolladas aleatoriamente están entrecruzadas por eslabones de di y tritirosina en el espaciado correcto para conferir la elasticidad necesaria para impulsar a algunos insectos saltadores a distancias de hasta 38 veces su longitud (como se encuentra en las pulgas). La resilina debe durar toda la vida de los insectos adultos y, por tanto, debe funcionar durante cientos de millones de extensiones y contracciones ; su eficiencia elástica asegura el rendimiento durante la vida del insecto. La resilina exhibe un comportamiento elastomérico inusual sólo cuando se hincha en disolventes polares como el agua.
En 2005, se sintetizó una forma recombinante de la proteína resilina de la mosca Drosophila melanogaster expresando una parte del gen de la mosca en la bacteria Escherichia coli . Se están realizando estudios activos que investigan la posible aplicación de resilinas recombinantes en ingeniería y medicina biomédicas.
Después de su descubrimiento en los tendones elásticos de las libélulas y en las bisagras de las alas de las langostas , la resilina se ha encontrado en muchas estructuras y órganos de los artrópodos . [1] La resilina se encuentra a menudo como un compuesto con quitina en la cutícula de los insectos , donde la quitina sirve como componente estructural. Resilin proporciona elasticidad y posiblemente otras propiedades. Se ha descubierto en la bomba salival de las chinches asesinas ( Rhodnius prolixus ), la mosca tsetsé y las abejas melíferas , y en el mecanismo que proporciona resistencia a la bomba dispensadora de veneno de los aguijones de las abejas melíferas . La resilina también se ha encontrado en los órganos de producción de sonido de los artrópodos, como las cigarras y la familia de las polillas Pyralidae , donde tanto la alta elasticidad como la alta resiliencia de la resilina desempeñan papeles importantes debido a los rápidos ciclos de liberación de estrés de los timbales productores de sonido . Además de estas estructuras, la resilina existe más ampliamente en los sistemas de locomoción de los artrópodos. Se descubrió en las bisagras de las alas para permitir la recuperación de la deformación de los elementos del ala y para amortiguar las fuerzas aerodinámicas que siente el ala; en sistemas ambulatorios de cucarachas y moscas para facilitar la rápida deformación articular; En los mecanismos de salto, la resilina almacena energía cinética con gran eficacia y la libera al descargar. También abunda en la cutícula que rodea el abdomen de termitas, hormigas y abejas, las cuales se expanden e hinchan en gran medida durante el proceso de alimentación y reproducción. [1]
La composición de aminoácidos de la resilina fue analizada en 1961 por Bailey y Torkel Weis-Fogh cuando observaron muestras de ligamentos de bisagra del brazo prealar y del ala de langostas. El resultado indica que la resilina carece de metionina , hidroxiprolina y cisteína en su composición de aminoácidos. [2]
Se identificó que la resilina es un producto del gen CG15920 de Drosophila melanogaster debido a las similitudes entre las composiciones de aminoácidos de la resilina y el producto genético. [3] El gen de Drosophila melanogaster está compuesto por 4 exones , que codifican 4 segmentos funcionales en CG15920: péptido señal y 3 péptidos codificados por los exones 1, 2 y 3. [4] El péptido señal guía la proresilina hacia el espacio extracelular , donde las proteínas resilina se agregan y se entrecruzan para formar una red, y luego se separa de los péptidos, de modo que la resilina naciente se convierte en resilina madura. Desde el N-terminal, el segmento codificado por el exón 1 contiene 18 copias de una secuencia repetida de 15 residuos (GGRPSDSYGAPGGGN); el segmento correspondiente al exón 2 contiene 62 aminoácidos de la secuencia consenso de Rebers-Riddiford (RR) de unión a quitina ( Pfam PF00379); El péptido codificado por el exón 3 está dominado por 11 copias de una secuencia repetida de 13 residuos (GYSGGRPGGQDLG). Mientras que la glicina y la prolina enriquecidas en los exones 1 y 3 introducen estructuras cíclicas en la proteína, los residuos de tirosina pueden formar enlaces cruzados de di y tritirosina entre proteínas.
La resilina es una proteína desordenada; sin embargo, sus segmentos pueden adoptar estructuras secundarias en diferentes condiciones. Se descubre que la secuencia peptídica codificada por el exón 1 presenta una forma no estructurada y no puede cristalizarse, lo que permite que el segmento de la secuencia peptídica sea muy suave y altamente flexible. El péptido codificado en el exón 3 adopta la forma no estructurada antes de la carga, pero se transforma en una estructura ordenada de giro beta una vez que se aplica tensión. Mientras tanto, el segmento codificado por el exón 2 sirve como dominio de unión a quitina. [4] Se propone que cuando se aplica estrés o hay entrada de energía, el péptido codificado en el exón 1 responde inmediatamente debido a su alta flexibilidad. Una vez que esto ocurre, la energía pasa al péptido codificado en el exón 3, que se transforma de la forma no estructurada a la estructura de giro beta para almacenar energía. Una vez que se elimina el estrés o la energía, el segmento codificado del exón 3 invierte la transformación estructural y envía la energía al segmento codificado del exón 1. [4]
Otra estructura secundaria que pueden adoptar los péptidos correspondientes al exón 1 y al exón 3 es la hélice de poliprolina (PPII), indicada por la alta presencia de prolina y glicina en estos 2 segmentos. La estructura PPII existe ampliamente en proteínas elastoméricas, como abductina , elastina y titina . [5] Se cree que contribuye en el proceso de autoensamblaje y la elasticidad de la proteína. [4] Se propone que el mecanismo elástico de la resilina esté relacionado con la entropía . En estado relajado, el péptido se pliega y posee una gran entropía, pero una vez que se estira, la entropía disminuye a medida que el péptido se despliega. La coexistencia de PPII y giro beta juega un papel importante en el aumento de la entropía a medida que la resilina vuelve a su forma desordenada. [6] La otra función del PPII es facilitar el proceso de autoensamblaje: se ha descubierto que el PPII cuasi extendido puede interactuar a través de una reacción intermolecular e iniciar la formación de una estructura supramolecular fibrilar. [6]
Mientras que las estructuras secundarias están determinadas por el estado energético y los enlaces de hidrógeno formados entre los aminoácidos, las estructuras jerárquicas están determinadas por la hidrofobicidad del péptido. El péptido codificado por el exón 1 es principalmente hidrófilo y está más extendido cuando se sumerge en agua. [7] Por el contrario, el péptido codificado en el exón 3 contiene bloques hidrofóbicos e hidrofílicos, lo que sugiere la formación de micelas, donde el bloque hidrofóbico se agrupará en el interior con la porción hidrofílica rodeándolo. [7] Por lo tanto, una única proteína resilina completa, cuando se sumerge en agua, adquiere la estructura en la que el segmento codificado por el exón 1 se extiende desde las formas peptídicas codificadas por el exón 3 de la micela. [7]
Una vez que la resilina se transfiere al exterior de la célula, los péptidos codificados por el exón 2, los segmentos de unión de quitina, se unen a la quitina. [1] Mientras tanto, la reticulación de di o tritirosina se forma mediante acoplamiento oxidativo , mediado por peroxidasa , entre residuos de tirosina . [1] Al igual que otras proteínas elastoméricas, el grado de reticulación en la resilina es bajo, lo que garantiza una baja rigidez y una alta resiliencia. Los péptidos reticulados codificados por el exón 1 tienen una resiliencia superior al 93%, mientras que los codificados por el exón 3 tienen una resiliencia del 86%. Además, la resilina natural tiene una resiliencia del 92%, similar a la del exón 1, lo que sugiere nuevamente que el exón 1 puede desempeñar un papel más importante en la propiedad elástica de la resilina. [4]
Andersen, en 1996, descubrió que los residuos de tirosina están involucrados en enlaces cruzados químicamente covalentes en muchas formas, como ditirosina , tritirosina y tetratirosina. [8] Principalmente, en la resilina, la tirosina y la ditirosina sirvieron como enlaces cruzados químicos , en los que los grupos R de tirosina y ditirosina se agregan a la columna vertebral de la cadena peptídica en crecimiento . [1] Andersen llegó a esta conclusión basándose en un estudio que involucró estos dos compuestos en el que pudo descartar otras formas de reticulación, como puentes disulfuro, grupos éster y enlaces amida. [1] Aunque se entiende que el mecanismo de entrecruzamiento de la tirosina se produce mediante iniciación radical, el entrecruzamiento de la resilina sigue siendo un misterio. La reticulación de la resilina se produce muy rápidamente y esto posiblemente se deba a la temperatura. Al aumentar la temperatura, la tasa de reticulación de los residuos aumenta y conduce a una red de resilina altamente reticulada. [1]
La composición de aminoácidos de la resilina indica que la prolina y la glicina tienen una presencia relativamente alta en la composición de aminoácidos de la resilina. La presencia de glicina y prolina en la composición de la resilina contribuye en gran medida a la elasticidad de la resilina. [9] La resilina, sin embargo, tiene una ausencia de una hélice alfa que conduce a una estructura enrollada aleatoriamente y una estructura desordenada. [10] Esto se debe principalmente al contenido significativamente alto de prolina en la resilina. La prolina es un aminoácido voluminoso que tiene la capacidad de doblar la cadena peptídica y, debido a las cadenas laterales estéricamente impedidas, no puede encajar en las hélices alfa. Sin embargo, los segmentos de resilina pueden adoptar formas de estructura secundaria en diferentes condiciones.
Como otros biomateriales, la resilina es un hidrogel , lo que significa que se hincha con agua. El contenido de agua de la resilina a pH neutro es del 50-60%, y la ausencia de esta agua marcará una gran diferencia en las propiedades del material: mientras que la resilina hidratada se comporta como una goma, la resilina deshidratada tiene las propiedades de un polímero vítreo. [1] Sin embargo, la resilina deshidratada puede volver a su estado gomoso si hay agua disponible. El agua sirve como plastificante en la red de resilina al aumentar la cantidad de enlaces de hidrógeno. [4] La alta concentración de prolina y glicina, hélices de poliprolina y porciones hidrofílicas sirven para aumentar el contenido de agua en la red de proteínas resilina. El aumento de los enlaces de hidrógeno conduce a un aumento de la movilidad de la cadena, por lo que disminuye la temperatura de transición vítrea . Cuanto mayor sea el contenido de agua en la red de resilina, menos rígido y más resistente será el material. La resilina deshidratada se comporta como un polímero de vidrio con baja rigidez, deformación y resiliencia, pero un módulo de compresión y una temperatura de transición vítrea relativamente altos. [1]
Las proteínas similares al caucho, como la resilina y la elastina, se caracterizan por su alta resiliencia , baja rigidez y gran tensión . [11] Una alta resiliencia indica que se puede almacenar una cantidad suficiente de energía en el material y liberarla posteriormente. Un ejemplo de entrada de energía es estirar el material. La resilina natural (hidratada) tiene una resiliencia del 92%, lo que significa que puede almacenar el 92% de la energía entrante para liberarla durante la descarga, lo que indica una transferencia de energía muy eficiente. Para comprender mejor la rigidez y la deformación de la resilina, se debe tener en cuenta la Ley de Hooke. Para los resortes lineales, la ley de Hooke establece que la fuerza requerida para deformar el resorte es directamente proporcional a la cantidad de deformación mediante una constante que es la característica del resorte. Un material se considera elástico cuando puede deformarse en gran medida con una cantidad limitada de fuerza. La resilina hidratada tiene un módulo de tracción de 640-2000 kPa, un módulo de compresión no confinado de 600-700 kPa y una tensión de rotura del 300%. [4]
Aunque no se han adquirido datos reales sobre la vida útil de la resilina ante la fatiga, podemos pensar en esto de manera intuitiva. Si consideramos el caso de las abejas melíferas, que viven alrededor de 8 semanas durante las cuales vuelan 8 horas al día, batiendo las alas a 720.000 ciclos/h, es probable que aleteen más de 300 millones de veces [9]. Dado que la resilina actúa durante toda la vida de los insectos, su vida útil a fatiga debería ser considerablemente larga. Sin embargo, en los insectos vivos, la resilina molecular puede producirse y reemplazarse constantemente, lo que introduce un error en nuestra conclusión.
Debido a la notable elasticidad del caucho de la resilina, los científicos comenzaron a explorar versiones recombinantes para una variedad de materiales y aplicaciones médicas. Con el auge de las tecnologías del ADN , este campo de investigación ha visto un rápido aumento en la síntesis de polímeros de proteínas biosintéticos que pueden ajustarse para tener ciertas propiedades mecánicas. Por tanto, este campo de investigación es bastante prometedor y puede proporcionar nuevos métodos para tratar enfermedades y trastornos que afectan a la población. La resilina recombinante se estudió por primera vez en 2005 cuando se expresó en Escherichia coli a partir del primer exón del gen CG15920 de Drosophila Melanogaster . [12] Durante su estudio, la resilina pura se sintetizó en un hidrogel con un 20% de masa proteica y se entrecruzó con tirosina catalizada por rutenio en presencia de luz ultravioleta. [12] Esta reacción produjo el producto, resilina recombinante (rec1-Resilina). [12]
Uno de los aspectos más importantes de la síntesis exitosa de rec1-Resilina es que sus propiedades mecánicas coinciden con las de la resilina original (resilina nativa). En el estudio indicado anteriormente, se utilizaron microscopía de sonda de barrido (SPM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) para investigar las propiedades mecánicas de rec1-Resilina y resilina nativa. [1] Los resultados de estas pruebas revelaron que la resiliencia de la resilina nativa y recombinante era relativamente similar, pero puede diferir en sus aplicaciones. [1] En este estudio, rec1-Resilina podría colocarse en un andamio polimérico para imitar la matriz extracelular con el fin de generar respuestas celulares y tisulares. Aunque este campo de investigación aún está en curso, ha generado un gran interés en la comunidad científica y actualmente se está investigando para una variedad de aplicaciones biomédicas en áreas de regeneración y reparación de tejidos.
Una propiedad única de rec1-Resilin es su capacidad de ser identificada debido a la autofluorescencia. La fluorescencia de la resilina proviene principalmente de la ditirosina, que es el resultado de entrecruzamientos de residuos de tirosina. Cuando la luz ultravioleta irradia una muestra de rec1-Resilin con emisiones de 315 nm a 409 nm, rec1-Resilin comienza a mostrar fluorescencia azul. [12] En la siguiente figura de una pulga se muestra un ejemplo de la fluorescencia azul exhibida por los residuos de ditirosina en la resilina.
Otra propiedad única de la resilina es su alta resiliencia. La resilina recombinante demostró excelentes propiedades mecánicas similares a las de la resilina pura. Elvin et al. Con el objetivo de comparar la resistencia de rec1-Resilin con otros cauchos, se utilizó un microscopio de sonda de barrido . Este estudio comparó la resiliencia de rec1-Resilin con dos tipos diferentes de caucho: caucho de clorobutilo y caucho de polibutadieno, ambos cauchos con propiedades de alta resiliencia. [12] Este estudio concluyó que la rec1-Resilina tenía una resiliencia del 92 % en comparación con el caucho de clorobutilo con un 56 % y el caucho de polibutadieno con un 80 %, respectivamente. [12] Con una resistencia mecánica tan alta , las propiedades de rec1-Resilin se pueden aplicar a otras aplicaciones clínicas dentro del campo de la ingeniería de materiales y la medicina. Este estudio sobre la resilina recombinante ha dado lugar a varios años de investigación sobre el uso de proteínas similares a la resilina para varias aplicaciones biomédicas que conservan las propiedades mecánicas de la resilina. Los resultados en curso de los estudios que involucran resilina recombinante pueden conducir a más investigaciones en las que se puedan investigar otras propiedades mecánicas y estructuras químicas inexploradas de la resilina.
Se han estudiado resilinas recombinantes para su posible aplicación en los campos de la ingeniería biomédica y la medicina. En particular, los hidrogeles compuestos de resilinas recombinantes se han utilizado como andamios de ingeniería de tejidos para tejidos mecánicamente activos, incluidos los tejidos cardiovasculares, de cartílago y de cuerdas vocales. Los primeros trabajos se han centrado en optimizar las propiedades mecánicas, la química y la citocompatibilidad de estos materiales, pero también se han realizado algunas pruebas in vivo de hidrogeles de resilina. [13] Investigadores de la Universidad de Delaware y la Universidad Purdue han desarrollado métodos para crear hidrogeles elásticos compuestos de resilina que eran compatibles con las células madre y mostraban una elasticidad del caucho similar a la de la resilina natural. [14] [15] [16] [17] También se han informado hidrogeles semisintéticos a base de resilina, que incorporan poli(etilenglicoles) . [18]
