Los péptidos autoensamblables son una categoría de péptidos que experimentan un ensamblaje espontáneo en nanoestructuras ordenadas . Descritos originalmente en 1993, [1] estos péptidos de diseño han atraído el interés en el campo de la nanotecnología por su potencial de aplicación en áreas como la nanotecnología biomédica, [2] el cultivo de células tisulares, [3] [4] la electrónica molecular y más. [5]
Los péptidos que se autoensamblan de manera eficaz actúan como bloques de construcción para diversas aplicaciones de materiales y dispositivos. La esencia de esta tecnología es replicar lo que hace la naturaleza: utilizar procesos de reconocimiento molecular para formar conjuntos ordenados de bloques de construcción capaces de realizar actividades bioquímicas.
Los péptidos pueden servir como bloques de construcción resistentes para una amplia gama de materiales, ya que pueden diseñarse para combinarse con una variedad de otros bloques de construcción, como lípidos , azúcares, ácidos nucleicos , nanocristales metálicos, etc.; esto les da a los péptidos una ventaja sobre los nanotubos de carbono , que son otro nanomaterial popular, ya que la estructura de carbono no es reactiva. También exhiben biocompatibilidad y reconocimiento molecular; este último es particularmente útil ya que permite una selectividad específica para construir nanoestructuras ordenadas. Además, los péptidos tienen una excelente resistencia a temperaturas extremas, detergentes y desnaturalizantes. [6]
La capacidad de los péptidos para autoensamblarse les permite ser utilizados como herramientas de fabricación, lo que seguirá creciendo como parte fundamental de la producción de nanomateriales. [7] El autoensamblaje de los péptidos se facilita mediante la compatibilidad estructural y química de las moléculas entre sí. Las estructuras formadas demuestran estabilidad física y química. [6]
Una ventaja de utilizar péptidos autoensamblables para construir nanoestructuras con un enfoque ascendente es que se pueden incorporar características específicas y modificar los péptidos para que cumplan funciones específicas. Este enfoque significa que las estructuras finales se crean a partir de la autointegración de bloques de construcción pequeños y simples. Este enfoque es necesario para la estructura a escala nanométrica, ya que el método descendente de miniaturización de dispositivos mediante técnicas sofisticadas de litografía y grabado ha alcanzado un límite físico. Además, el enfoque descendente se aplica principalmente a la tecnología basada en silicio y no se puede utilizar para desarrollos biológicos.
La estructura de un péptido está organizada jerárquicamente en cuatro niveles. La estructura primaria de un péptido es la secuencia de aminoácidos de la cadena peptídica. Los aminoácidos son moléculas monoméricas que llevan un grupo funcional carboxilo y un grupo amino ; un espectro de otros grupos químicos están unidos a diferentes aminoácidos, como tioles y alcoholes . Esto facilita la amplia gama de interacciones químicas y, por lo tanto, los reconocimientos moleculares de los que son capaces los péptidos; para los péptidos autoensamblables de diseño, se utilizan aminoácidos tanto naturales como no naturales. Se unen entre sí de manera controlada para formar péptidos cortos, que se unen para formar cadenas polipeptídicas largas.
A lo largo de estas cadenas, los grupos amina (NH) y carbonilo (CO) que se alternan son altamente polares y forman fácilmente enlaces de hidrógeno entre sí. Estos enlaces de hidrógeno unen las cadenas de péptidos para dar lugar a estructuras secundarias. Las estructuras secundarias estables incluyen las hélices alfa y las láminas beta. Las estructuras secundarias inestables son bucles, vueltas y espirales aleatorios que se forman. La estructura secundaria que se forma depende de la estructura primaria; diferentes secuencias de aminoácidos muestran diferentes preferencias.
Las estructuras secundarias suelen plegarse, con una variedad de bucles y vueltas, en una estructura terciaria . Lo que diferencia la estructura secundaria de la terciaria es que esta última incluye interacciones no covalentes . La estructura cuaternaria combina dos o más cadenas diferentes de polipéptidos para formar lo que se conoce como una subunidad proteica.
El proceso de autoensamblaje de las cadenas peptídicas incluye un reensamblaje dinámico, que ocurre repetidamente de manera autocurativa. [8] Los tipos de interacciones que facilitan el reensamblaje de las estructuras peptídicas incluyen fuerzas de van der Waals , enlaces iónicos , enlaces de hidrógeno y fuerzas hidrofóbicas. [8] Estas fuerzas también facilitan la función de reconocimiento molecular que abarcan los péptidos. Estas interacciones funcionan sobre la base de la preferencia que depende de las propiedades energéticas y la especificidad.
Se pueden formar distintas nanoestructuras. Los nanotubos se definen como nanoobjetos alargados con orificios internos definidos. [9] [10] [11] [12] Las nanofibrillas son sólidas en el interior, a diferencia de los nanotubos huecos.
La síntesis de péptidos se puede realizar fácilmente mediante el método establecido de química en fase sólida en cantidades de gramos o kilogramos. La conformación del isómero d se puede utilizar para la síntesis de péptidos.
Las nanoestructuras se pueden obtener disolviendo dipéptidos en 1,1,1,3,3,3 -hexafluoro-2-propanol a 100 mg/ml y luego diluyéndolo con agua hasta una concentración de menos de 2 mg/ml. [11] Mediante este método se obtienen nanotubos multipared con diámetros de 80 a 300 nm, hechos de dipéptidos del motivo de difenilalanina del péptido β-amiloide de Alzheimer . Si se introduce un tiol en la difenilalanina, se pueden formar nanoesferas; de esta manera también se pueden obtener nanoesferas con diámetros de 10 a 100 nm a partir de un péptido de difenilglicina. [11]
La microscopía de fuerza atómica puede medir las propiedades mecánicas de los nanotubos. [9] [10] [13] [11] La microscopía electrónica de barrido y la microscopía de fuerzas atómicas se utilizan para examinar las estructuras de nanofibras de péptidos Lego. [7]
Los estudios de dispersión de luz dinámica muestran estructuras de péptidos surfactantes. [7] Los péptidos surfactantes se han estudiado utilizando un método de preparación de muestras de congelación rápida/grabado profundo que minimiza los efectos sobre la estructura. Las nanoestructuras de la muestra se congelan rápidamente a -196 °C y se pueden estudiar tridimensionalmente, utilizando microscopía electrónica de transmisión . [7]
Utilizando tecnología informática , se puede construir y estudiar un modelo molecular de péptidos y sus interacciones.
Se pueden realizar pruebas específicas en ciertos péptidos: por ejemplo, se podría aplicar una prueba de emisión fluorescente a las fibrillas amiloides utilizando el colorante tioflavina T, que se une específicamente al péptido y emite fluorescencia azul cuando se excita. [6]
Los componentes básicos de los péptidos más simples son los dipéptidos. Los nanotubos formados a partir de dipéptidos son los más anchos entre los nanotubos peptídicos. Un ejemplo de un dipéptido que se ha estudiado es un péptido del motivo de difenilalanina del péptido β-amiloide del Alzheimer. [11]
También se ha demostrado que los dipéptidos se autoensamblan en hidrogeles , otra forma de nanoestructuras, cuando se conectan al grupo protector cloruro de fluorenilmetiloxicarbonilo . Se han realizado experimentos centrados en el dipéptido Fmoc-difenilalanina que han explorado el mecanismo en el que Fmoc-difenilalanina se autoensambla en hidrogeles a través de láminas β entrelazadas π-π . [14] La fenilalanina tiene un anillo aromático, una parte crucial de la molécula debido a su alta densidad electrónica, que favorece el autoensamblaje donde los anillos se apilan y permiten que se produzca el ensamblaje.
Estos péptidos tienen un tamaño aproximado de 5 nm y tienen 16 aminoácidos. [8] La clase de péptidos Lego tiene las características únicas de tener dos superficies distintas, que son hidrófobas o hidrófilas, similares a las clavijas y agujeros de los bloques Lego. [7] El lado hidrófobo promueve el autoensamblaje en agua y el lado hidrófilo tiene una disposición regular de residuos de aminoácidos cargados, lo que a su vez produce un patrón definido de enlaces iónicos. [7] La disposición de los residuos se puede clasificar de acuerdo con el orden de las cargas; el módulo I tiene un patrón de carga de + − + − + − , el módulo II + + − − + + − − , y el módulo III + + + − − − − + + + , y así sucesivamente. [7] Los péptidos se autoensamblan en nanofibras de aproximadamente 10 nm de largo en presencia de cationes alcalinos o una adición de solución de péptidos. [7] Las fibras forman interacciones iónicas entre sí para formar matrices similares a tableros de ajedrez, que se desarrollan en un hidrogel de andamiaje con un alto contenido de agua de más del 99,5-99,9% [8] y poros de 10-200 nm de diámetro. [7] Estos hidrogeles permiten el crecimiento de neuritas y, por lo tanto, se pueden utilizar como andamiajes para la ingeniería de tejidos. [15]
Se han diseñado péptidos similares a surfactantes que se autoensamblan en agua para formar nanotubos y nanovesículas utilizando lípidos naturales como guías. [7] [9] [10] [13] Esta clase de péptidos tiene una cabeza hidrófila (con uno o dos aminoácidos cargados como los ácidos aspártico o glutámico , o los ácidos lisínico o histidínico ) con una cola hidrófoba (con 4 o más aminoácidos hidrófobos como la alanina, la valina o la leucina). Los monómeros peptídicos tienen una longitud de aproximadamente 2-3 nm y constan de siete u ocho aminoácidos; la longitud del péptido se puede ajustar añadiendo o quitando ácidos. [16]
En el agua, los péptidos surfactantes se autoensamblan para formar nanotubos y nanovesículas bien ordenadas de 30 a 50 nm a través de enlaces de hidrógeno intermoleculares y el empaquetamiento de las colas hidrofóbicas entre los residuos, [7] como la formación de micelas . El examen con microscopía electrónica de transmisión en muestras congeladas rápidamente de estructuras de péptidos surfactantes mostró nanotubos helicoidales de extremos abiertos. Las muestras también mostraron comportamientos dinámicos y algunos "brotes" de vesículas que brotaban de los nanotubos peptídicos. [7]
Esta clase de péptidos se autoensamblan sobre una superficie y forman monocapas de apenas unos pocos nanómetros de espesor. [7] Estos tipos de péptidos moleculares de "pintura" o "alfombra" son capaces de formar patrones celulares, interactuando con o atrapando otras moléculas sobre la superficie. [7] Esta clase de péptidos consta de tres segmentos: la cabeza es una parte de ligando, que tiene grupos funcionales unidos para el reconocimiento por otras moléculas o receptores de la superficie celular ; el segmento medio es un "enlazador", que permite que la cabeza interactúe a una distancia de la superficie [7] y que también controla la flexibilidad y la rigidez de la estructura del péptido; [7] y, en el otro extremo del enlazador, un ancla de superficie donde un grupo químico en el péptido forma un enlace covalente con una superficie particular. [7] Esta clase de péptidos tiene la propiedad única de poder cambiar la estructura molecular drásticamente. [7] Esta propiedad se ilustra mejor con un ejemplo. El péptido DAR16-IV, tiene 16 aminoácidos y forma una estructura de hoja β de 5 nm a temperatura ambiente; Se produce un cambio rápido en la estructura a alta temperatura o un cambio en el pH cuando se forma una hélice α de 2,5 nm. [7]
Se han realizado investigaciones exhaustivas sobre nanotubos formados mediante el apilamiento de péptidos cíclicos con un número par de aminoácidos D y L alternados. [11] Estos nanotubos son los más estrechos formados por péptidos. El apilamiento se produce a través de enlaces de hidrógeno intermoleculares, y el producto final es una estructura cilíndrica con las cadenas laterales de aminoácidos del péptido que definen las propiedades de la superficie exterior del tubo [11] y la cadena principal del péptido que determina las propiedades de la superficie interior del tubo. [11] Los polímeros también se pueden unir covalentemente a los péptidos, en cuyo caso se puede formar una cubierta de polímero alrededor del nanotubo. Al aplicar el diseño de péptidos, se puede especificar el diámetro interior, que es completamente uniforme; las propiedades de la superficie exterior también pueden verse afectadas por el diseño de péptidos. Por lo tanto, estos nanotubos cíclicos se pueden formar en una variedad de entornos diferentes. [11]
Se deben evaluar las propiedades (mecánicas, electrónicas, ópticas, magnéticas, etc.) del material elegido e indicar cuáles serían las principales diferencias si el mismo material no fuera a escala nanométrica. Los nanotubos formados a partir de dipéptidos son estables en condiciones extremas. Los nanotubos secos no se degradan hasta los 200 °C; los nanotubos muestran una estabilidad química excepcional en un rango de pH y en presencia de disolventes orgánicos. Esta es una marcada diferencia con los sistemas biológicos naturales, que a menudo son inestables y sensibles a la temperatura y a las condiciones químicas.
Los experimentos de microscopía de fuerza atómica por indentación mostraron que los nanotubos secos sobre mica tienen una rigidez promedio de 160 N/m y un módulo de Young alto de 19-27 GPa. [11] Aunque son menos rígidos que los nanotubos de carbono y no carbono , con estos valores estos nanotubos se encuentran entre algunos de los materiales biológicos más rígidos conocidos. [11] Se ha sugerido que los mecanismos que facilitan la rigidez mecánica son los enlaces de hidrógeno intermoleculares y las cadenas laterales aromáticas rígidas en los péptidos. [11] Aparte de los fabricados con péptidos cíclicos, las propiedades de la superficie interna y externa de los nanotubos aún no se han modificado de forma independiente con éxito. [11] Por lo tanto, presenta una limitación que las superficies internas y externas de los tubos sean idénticas.
El ensamblaje molecular ocurre principalmente a través de enlaces débiles no covalentes, que incluyen: enlaces de hidrógeno, enlaces iónicos, interacciones de van der Waals e interacciones hidrofóbicas .
Los nanotubos de carbono (CNT) son otro tipo de nanomaterial que ha despertado mucho interés por su potencial para servir como bloques de construcción para aplicaciones de abajo a arriba. Tienen excelentes propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas y se pueden fabricar en una amplia gama de diámetros a escala nanométrica, lo que los hace atractivos y apropiados para el desarrollo de dispositivos electrónicos y mecánicos. [17] Demuestran propiedades similares a las de los metales y pueden actuar como conductores extraordinarios.
Sin embargo, hay varias áreas en las que los péptidos tienen ventajas sobre los CNT. Una ventaja es que los péptidos tienen una funcionalidad química casi ilimitada en comparación con las interacciones químicas muy limitadas que los CNT pueden realizar debido a su falta de reactividad. [17] Además, los CNT exhiben una fuerte hidrofobicidad que resulta en una tendencia a agruparse en soluciones acuosas [17] y, por lo tanto, tienen una solubilidad limitada; sus propiedades eléctricas también se ven afectadas por la humedad y la presencia de oxígeno, N 2 O y NH 3 . [11]
También es difícil producir nanotubos de carbono con propiedades uniformes , lo que plantea serios inconvenientes, ya que la reproducibilidad de propiedades estructurales precisas es una preocupación clave para fines comerciales. Por último, los nanotubos de carbono son caros, con precios que rondan los cientos de dólares por gramo, lo que hace que la mayoría de las aplicaciones sean comercialmente inviables. [17]
El atractivo de los péptidos de diseño es que son estructuralmente simples y su producción a gran escala es sencilla y asequible. [7]
Los andamios peptídicos formados a partir de péptidos LEGO se han utilizado ampliamente para el cultivo de células en 3D, ya que se asemejan mucho a la porosidad y la estructura de las matrices extracelulares. [3] Estos andamios también se han utilizado en la proliferación y diferenciación celular en los tipos de células deseados. [7] Los experimentos con neuronas de rata demostraron la utilidad de los péptidos LEGO en el cultivo celular. Las neuronas de rata que se adhirieron a los péptidos proyectaron axones funcionales que siguieron los contornos de los andamios peptídicos. [7]
Al examinar el comportamiento de los péptidos moleculares "interruptores", se puede obtener más información sobre las interacciones entre proteínas y, lo que es más importante, sobre la patogénesis de algunas enfermedades conformacionales de las proteínas, como la tembladera, el kuru, la enfermedad de Huntington, la enfermedad de Parkinson y la de Alzheimer. [7]
Los péptidos autoensamblables y surfactantes se pueden utilizar como sistemas de administración de genes, [18] fármacos [19] y ARNi. [20] [21] La investigación ya ha demostrado que las nanovesículas de dipéptidos catiónicos NH2 - Phe-Phe-NH2 , que tienen aproximadamente 100 nm de diámetro, se pueden absorber en las células a través de endocitosis y administrar oligonucleótidos a la célula; [11] este es un ejemplo de cómo la nanoestructura de péptidos se puede utilizar en la administración de genes y fármacos . También se prevé que las moléculas solubles en agua y las moléculas biológicas se puedan administrar a las células de esta manera. [11] Los péptidos LEGO autoensamblables pueden formar andamios biológicamente compatibles para la reparación e ingeniería de tejidos, [17] lo que debería ser de gran potencial, ya que una gran cantidad de enfermedades no se pueden curar con medicamentos de moléculas pequeñas; se necesita un enfoque de terapia basada en células y los péptidos podrían desempeñar potencialmente un papel enorme en esto. [17] Los nanotubos de péptidos cíclicos formados a partir del autoensamblaje pueden actuar como canales iónicos , que forman poros a través de la membrana celular y causan el colapso osmótico celular. Los péptidos pueden diseñarse para formarse preferentemente en las membranas celulares bacterianas y, por lo tanto, estos tubos pueden funcionar como agentes antibacterianos y citotóxicos. [11] [17]
Los péptidos "interruptores" moleculares se pueden convertir en nanointerruptores cuando se incorpora un componente electrónico . [7] Los nanocristales metálicos se pueden unir covalentemente a los péptidos para hacerlos electrónicamente sensibles; actualmente se están realizando investigaciones sobre cómo desarrollar moléculas controladas electrónicamente y "máquinas" moleculares que utilicen dichos "interruptores" moleculares. [7] Las nanofibras de péptidos también se pueden utilizar como plantillas de crecimiento para una variedad de materiales inorgánicos, como plata, oro, platino, cobalto, níquel y varios materiales semiconductores. [6] Las fracciones aromáticas que transfieren electrones también se pueden unir a las cadenas laterales de los péptidos para formar nanoestructuras conductoras que pueden transferir electrones en una dirección determinada. [17] Los péptidos que se unen a metales y semiconductores se han utilizado para la fabricación de nanocables. [6] Los péptidos se autoensamblan en nanotubos huecos para actuar como moldes de fundición; los iones metálicos que migran dentro del tubo experimentan una reducción a forma metálica. El "molde" del péptido puede ser destruido enzimáticamente para producir un nanocable metálico de aproximadamente 20 nm de diámetro. [17] Esto se ha hecho para fabricar nanocables de oro y esta aplicación es especialmente significativa porque los nanocables a esta escala no se pueden fabricar mediante litografía. Los investigadores también han desarrollado con éxito nanocables multicapa con un nanocable con núcleo de plata, una capa de aislamiento de péptidos y una capa exterior de oro. [11] Esto se hace reduciendo AgNO3 dentro de los nanotubos y luego uniendo una capa de péptidos que contienen tiol con partículas de oro adheridas. [11] Esta capa actúa como un sitio de nucleación durante el siguiente paso, donde un proceso de deposición sin corriente eléctrica recubre los nanotubos con una capa de oro para formar nanocables coaxiales tricapa de metal-aislante-metal. [11] Los nanotubos de péptidos pueden producir nanocables de tamaño uniforme, y esto es particularmente útil en las aplicaciones nanoeléctricas, ya que las propiedades eléctricas y magnéticas son sensibles al tamaño. [11]
La excepcional resistencia mecánica y estabilidad de los nanotubos los convierte en materiales excelentes para su aplicación en esta área. Los nanotubos también se han utilizado en el desarrollo de plataformas de biodetección electroquímica y han demostrado tener un gran potencial. Los nanotubos de dipéptidos depositados sobre electrodos de grafito mejoraron la sensibilidad de los electrodos; los nanotubos modificados con tiol depositados sobre oro con un recubrimiento de enzimas mejoraron la sensibilidad y reproducibilidad para la detección de glucosa y etanol, así como un tiempo de detección más corto, una gran densidad de corriente y una estabilidad mejorada. [11] Los nanotubos también se han recubierto con éxito con proteínas, nanocristales y metaloporfirina a través de enlaces de hidrógeno, y estos tubos recubiertos tienen un gran potencial como sensores químicos. [11]
Los péptidos diseñados con una estructura conocida que se autoensamblen en una plantilla de crecimiento regular permitirían el autoensamblaje de circuitos y dispositivos electrónicos a escala nanométrica . Sin embargo, una cuestión que aún no se ha resuelto es la capacidad de controlar la posición de las nanoestructuras. Esta posición en relación con los sustratos, entre sí y con otros componentes funcionales es crucial. Aunque se han logrado avances en este ámbito, es necesario realizar más trabajos antes de poder establecer este control. [11]
Los péptidos moleculares para alfombras y pinturas se pueden utilizar en diversas industrias. Se pueden utilizar como "nanoorganizadores" para materiales no biológicos o se pueden utilizar para estudiar las comunicaciones y el comportamiento entre células. [7] También se ha descubierto que las capacidades catalíticas de la enzima lipasa mejoran considerablemente cuando se encapsula en un nanotubo peptídico. [11] Después de la incubación en un nanotubo durante una semana, las actividades catalíticas de la enzima mejoran en un 33%, en comparación con las lipasas independientes a temperatura ambiente ; a 65 °C la mejora aumenta al 70%. Se sugiere que la capacidad mejorada se debe a un cambio conformacional a una estructura enzimáticamente activa. [11]
Aunque ya se han formado con éxito nanoestructuras bien ordenadas a partir de péptidos autoensamblables, su potencial no se alcanzará plenamente hasta que se incorpore una funcionalidad útil a las estructuras.
Además, hasta ahora la mayoría de las estructuras de péptidos formadas son de una o dos dimensiones. En cambio, en la naturaleza, la mayoría de las estructuras biológicas son tridimensionales. [17] Las críticas se deben a la falta de conocimientos teóricos sobre los comportamientos de autoensamblaje de los péptidos. Un mayor conocimiento podría resultar muy útil para facilitar diseños racionales y un control preciso de los ensamblajes de péptidos. Por último, aunque se está realizando una gran cantidad de trabajo sobre el desarrollo de aplicaciones relacionadas con los péptidos autoensambladores, no se ha prestado la misma atención a cuestiones como la viabilidad comercial y la procesabilidad. Sin embargo, estas cuestiones deben evaluarse si se quieren realizar más aplicaciones útiles.