La abductina es una proteína elastomérica natural que se encuentra en el ligamento bisagra de los moluscos bivalvos . Es único ya que es el único elastómero natural con elasticidad compresible, en comparación con la resilina, la seda de araña y la elastina. [1] Su nombre fue propuesto por el hecho de que funciona como abductor de las válvulas de los moluscos bivalvos.
Las propiedades de la abductina varían entre especies de bivalvos debido al caso de uso específico de la especie o al entorno en el que se encuentra la especie. A pesar de estas diferencias, la misma función general de actuar opuesta a los músculos abductores, donde la resilina fuerza la shells en una configuración abierta.
Aunque las patentes para secuencias de proteínas específicas de abductina fueron aprobadas por las Oficinas de Patentes y Marcas de los Estados Unidos, no existen usos comerciales a gran escala para la abductina en abril de 2022.
La composición de aminoácidos de la proteína dentro del ligamento bisagra interno de los moluscos bivalvos fue descubierta por primera vez por Robert E. Kelly y Robert V. Rice en 1967, quienes posteriormente propusieron el nombre de la proteína como abductina. [3] Esto se derivó de su función como abductor de las conchas de los moluscos bivalvos. Kelly y Rice descubrieron que la proteína carecía de la presencia de hidroxiprolina e hidroxilisina, que son aminoácidos indicativos de la proteína común, el colágeno. Un análisis más detallado mostró que la abductina está formada por tres aminoácidos destacados: glicina, metionina y fenilalanina, que están dispuestos en múltiples secuencias repetidas en toda la molécula. [4] Esto fue encontrado en Placopecten magellanicus. La abductina es similar a la elastina y la resilina, pero tiene una diferencia principal: tiene altas concentraciones de glicina y metionina. [3] La glicina y la metionina, y otros residuos de aminoácidos, varían en concentración según las diferentes especies. En Argopecten irradians, por ejemplo, la glicina y la metionina constituyen el 57,3% y el 14,3% de la proteína, respectivamente. [4] La alta concentración de metionina que se encuentra en la abductina la hace única porque no es una ocurrencia común en las proteínas elastoméricas naturales.
Secuencias peptídicas como MGGG, FGGMG, FGGMGGG, GGFGGMGGG y FGGMGGGNAG se repiten a lo largo de la cadena peptídica. [3] Cabe señalar que todas estas secuencias peptídicas contienen glicina. Además, en Argopecten irradians, el pentapéptido FGGMG se repite en toda la molécula. [5] La principal característica de la secuencia peptídica de la abductina es la presencia de muchas secuencias repetidas, todas las cuales contienen residuos de glicina. Esto es similar a la estructura de la elastina.
La abductina está ligeramente reticulada, lo que le confiere su alta elasticidad. Se ha investigado el origen del entrecruzamiento, pero no se ha ideado una explicación concreta. La falta de tirosina en la cadena peptídica sugiere que los enlaces cruzados no se forman a través de enlaces de ditirosina , como ocurre en la resilina. [5] Varios investigadores han propuesto hipótesis sobre el mecanismo de reticulación. Una posible fuente de entrecruzamiento se debe a la presencia de un dímero de metionina, ½ cistina en algunas especies u otros aminoácidos similares que contienen un puente disulfuro, que crea el entrecruzamiento entre las cadenas peptídicas. [2] [3] Otro estudio descubrió que la 3,3'-metilen-bistirosina podría ser responsable del entrecruzamiento en la abductina, similar a cómo los residuos de tirosina y lisina son responsables del entrecruzamiento en la resilina y la elastina. [6]
La abductina tiene una estructura acelular y amorfa, como se descubre mediante microscopía y difracción de rayos X, respectivamente. [2] Dado que la abductina es insoluble y su aislamiento del ligamento bisagra es difícil, faltan investigaciones sobre su estructura a nivel proteico, como las estructuras secundarias y jerárquicas. [2] Se descubrió que investigaciones más recientes sobre péptidos sintéticos derivados de la abductina tienen una estructura de hélice de poliprolina II en soluciones acuosas y una estructura de giro β tipo II en disolventes hidrofóbicos. [1] También se pueden observar combinaciones de ambas estructuras para cadenas peptídicas similares a abductina más largas. [1]
El uso de abductina varía entre las diferentes especies de moluscos del mundo. Algunas, como las vieiras y las conchas de lima, son capaces de nadar mediante un movimiento repetitivo de apertura y cierre de su concha, cuyo movimiento absorbe y expulsa agua rápidamente. [7] En otras especies de moluscos, la presencia de abductina generalmente se ubica donde las dos conchas se unen para formar una bisagra. [8] A diferencia de las necesidades de las vieiras de un retorno de energía eficiente para el movimiento, especies como Apylsia consideran necesario reducir el retorno de energía a favor de la estabilidad en la apertura y cierre de las conchas. [8] La abductina se puede encontrar dentro de la estructura resilium, que se utiliza para almacenar energía mecánica para este propósito. [7] La eficacia de la abductina está muy influenciada por los aspectos morfológicos del caparazón del molusco, como su tamaño y forma. [7] Otras influencias sobre el desempeño de la abductina en los moluscos es la temperatura, donde hay una disminución en el desempeño a medida que disminuye la temperatura del ambiente circundante, y la presencia de octopina, que actúa como un análogo del ácido láctico en los mamíferos. [7] La implementación de la estructura resilium de la almeja se puede modelar como un sistema oscilatorio, donde trabaja contra el músculo abductor para abrir la cáscara del organismo; el resilio fuerza la apertura del caparazón mientras que el músculo abductor controla el cierre del caparazón. [7]
Existen pocos datos sobre la estructura y función de proteínas elastoméricas comprimibles como la abductina. La comprensión de las características estructurales subyacentes de estas proteínas puede conducir al desarrollo de una nueva clase de hidrogeles "compresibles" altamente personalizados. Adquirir conocimiento de las características estructurales y funcionales subyacentes de los elastómeros naturales comprimibles, como la abductina, puede conducir a nuevos bioelastómeros comprimibles con propiedades de material adaptadas. [9]
Al interpretar los exponentes de Hurst como Flory, el agua resulta ser un disolvente deficiente para los péptidos de abductina. [10] Predecir el entorno del disolvente funcional para proteínas insolubles como la abductina es particularmente difícil porque la hidrofobicidad de la proteína y la probable naturaleza entrecruzada sugieren un entorno interno menos polar que el disolvente circundante. [9]
Anteriormente se ha sugerido la presencia de conformaciones extendidas (PPII) y conformaciones plegadas (giros β) en equilibrio para describir la abductina. [9] Los espectros de dicroísmo circular (CD) revelaron que AMP1 (una secuencia de abductina de 25 aminoácidos) adopta una conformación dominante desordenada a 258 °C y una conformación de poliprolina II (PPII) a 0 °C y 458 °C con una posible cantidad menor. de confórmeros de giro β tipo II. [9] Esta observación indica que AMP1 sufre una transición de temperatura inversa en la que pasa de una conformación dominante desordenada a una conformación PPII extendida y periódica al aumentar la temperatura. [9] La estructura secundaria de la abductina también fue investigada mediante estudios de resonancia magnética nuclear (RMN) y CD de varios péptidos sintéticos. La mayoría de los péptidos sintéticos basados en abductina adoptaron estructuras de poliprolina II (PPII), que son hélices zurdas, en solución acuosa, mientras que tenían giros β de tipo II en trifluoroetanol (TFE), que es un disolvente más hidrofóbico (menos polar). La coexistencia de giros β PPII y tipo II y transiciones multiconformacionales inducidas por la temperatura se observó con péptidos sintéticos similares a abductina más largos, como (FGGMGGGNAG) 4 en hexafluoroisopropanol (HFIP). [11] La estructura secundaria de AB12 se analizó cualitativamente comparando los espectros de CD con otros péptidos con estructuras secundarias conocidas. Los espectros CD de soluciones acuosas de AB12 muestran un fuerte pico negativo a 200 nm y una tendencia hacia valores positivos a ~218 nm, que son características de las hélices PPII. Un punto isodicroico a ~208 nm sugiere que existe un equilibrio entre la estructura PPII y otras conformaciones. Además, debido a que el pico a 218 nm nunca excede cero, los espectros sugieren la coexistencia de estructuras desordenadas y hélices PPII. Se puede observar una pequeña banda negativa a ~225 nm, que probablemente sea el resultado del residuo aromático, fenilalanina, en la secuencia. [11]
Se estudió el efecto de la temperatura sobre la estructura secundaria. Al aumentar la temperatura, la magnitud de ambos picos en los espectros CD a 200 y 218 nm disminuyó, lo cual es típico de las conformaciones de hélice PPII. Además, el cambio de estructura debido a la temperatura fue completamente reversible y no mostró ninguna histéresis. Se cree que la conformación PPII, que está ampliamente presente en proteínas elastoméricas como la elastina y la titina, desempeña un papel importante en la determinación de la elasticidad de estas proteínas. [11] La proteína basada en abductina poseía un comportamiento reversible de temperatura de solución crítica superior (UCST) y formaba una estructura similar a un gel. A altas temperaturas, mostró un comportamiento de agregación irreversible. La capacidad de respuesta térmica es una propiedad útil para diseñar sistemas de administración de fármacos porque la encapsulación y liberación de fármacos se puede controlar fácilmente mediante cambios de temperatura. [11]
La proteína basada en abductina era citocompatible y las células se propagaron lentamente cuando se sembraron por primera vez con la proteína basada en abductina. [11] Un ensayo LIVE/DEAD reveló que las células endoteliales de la vena umbilical humana tenían una viabilidad del 98 ± 4% después de ser cultivadas durante dos días en la proteína basada en abductina. La propagación celular inicial en la proteína basada en abductina fue similar a la de la albúmina sérica bovina. Por tanto, estos estudios demuestran el potencial de las proteínas basadas en abductina en aplicaciones de ingeniería de tejidos y administración de fármacos debido a la citocompatibilidad y su respuesta a la temperatura. [11]
La abductina natural tiene un módulo de tracción de 1,25 MPa, que es mayor que el de la elastina (0,3 a 0,6 MPa) pero del mismo orden de magnitud que la resilina (0,6 a 2 MPa). [11] Tiene un módulo de compresión de 4 MPa, que es superior al de la resilina (0,6-0,7 MPa). Las propiedades mecánicas superiores de la abductina natural ofrecen el potencial para diseñar biomateriales a base de proteínas que puedan utilizarse en una mayor cantidad de aplicaciones. [11]
Se observó visualmente que una solución de AB12 (10 mg/ml en agua Milli-Q) cambiaba de transparente a opaca cuando se enfriaba desde temperatura ambiente a temperaturas más bajas (incubada en hielo). Se utilizó dispersión dinámica de luz (DLS) para investigar más a fondo la capacidad de respuesta a la temperatura de AB12. Se observó una disminución abrupta en el diámetro hidrodinámico (DH) de AB12 cuando la solución de proteína se calentó de 2 a 5 °C. Este fenómeno es indicativo del comportamiento de la temperatura de solución crítica superior (UCST). El cambio en DH a bajas temperaturas fue reversible y mostró cierta histéresis. Se observó un aumento moderado en DH a partir de 35 °C, y se produjo un aumento más pronunciado en DH a partir de 57 °C (temperatura de agregación). En comparación con el comportamiento reversible de la UCST, la transición que ocurrió a la temperatura de agregación fue irreversible. [11]
En el caso de la abductina, al comprimirse, el equilibrio extendido ⇄ plegado debe desplazarse hacia las estructuras plegadas, disminuyendo la entropía. El estado multiconformacional sin comprimir se recupera mediante un simple aumento de entropía después de la eliminación de la fuerza de compresión. Esto es opuesto al comportamiento de la elastina. [12]
La primera patente dedicada al uso e implementación de abductina fue aceptada por la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos el 3 de octubre de 2000 (Patente No. 6,127,166). [13] La patente en cuestión detalla la secuencia proteica específica de la abductina que se fabricará por medios biológicos y las posibles aplicaciones del polímero, sugiriendo posibles usos como copolímero para otros polímeros naturales, un material textil o un material que se une con anticuerpos. [13] Hasta abril de 2022, no ha habido producción ni aplicación a gran escala de polímeros derivados de la abductina o secuencias poliméricas relacionadas.