La abductina es una proteína elastomérica natural que se encuentra en el ligamento de la bisagra de los moluscos bivalvos . Es única, 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 se propuso a partir del hecho de que funciona como abductor de las valvas de los moluscos bivalvos.
Las propiedades de la abductina varían entre las especies de bivalvos debido al 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 de manera opuesta a los músculos abductores, donde la resilina fuerza las conchas a adoptar una configuración abierta.
Aunque las Oficinas de Patentes y Marcas de los Estados Unidos aprobaron patentes para secuencias de proteínas específicas de abductina, hasta abril de 2022 no existen usos comerciales a gran escala para la abductina.
La composición de aminoácidos de la proteína dentro del ligamento de 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 posterior mostró que la abductina está hecha de tres aminoácidos prominentes: glicina, metionina y fenilalanina, que están dispuestos en múltiples secuencias repetidas a lo largo de la molécula. [4] Esto se encontró 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 con diferentes especies. En los irradiantes Argopecten, 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 encontrada en la abductina la hace única porque no es una ocurrencia común en las proteínas elastoméricas naturales.
Las secuencias de péptidos como MGGG, FGGMG, FGGMGGG, GGFGGMGGG y FGGMGGGNAG se repiten a lo largo de la cadena peptídica. [3] Cabe señalar que todas estas secuencias de péptidos contienen glicina. Además, en Argopecten irradians, el pentapéptido FGGMG se repite a lo largo de la molécula. [5] La característica principal de la secuencia de péptidos 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 da su alta elasticidad. Se ha investigado la fuente de la reticulación, pero no se ha ideado ninguna explicación concreta. La falta de tirosina en la cadena peptídica sugiere que las reticulaciones 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 reticulación 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 la reticulación entre las cadenas peptídicas. [2] [3] Otro estudio descubrió que la 3,3'-metilen-bistirosina podría ser responsable de la reticulación en la abductina, de forma similar a cómo los residuos de tirosina y lisina son responsables de la reticulación en la resilina y la elastina. [6]
La abductina tiene una estructura acelular y amorfa, como se descubrió mediante microscopía y difracción de rayos X, respectivamente. [2] Dado que la abductina es insoluble y su aislamiento del ligamento bisagra es difícil, existe una falta de investigación sobre su estructura a nivel de proteína, como las estructuras secundarias y jerárquicas. [2] Investigaciones más recientes sobre péptidos sintéticos derivados de la abductina encontraron que tienen una estructura de hélice de poliprolina II en soluciones acuosas y una estructura de giro β tipo II en solventes hidrófobos. [1] También se pueden observar combinaciones de ambas estructuras para cadenas peptídicas más largas similares a la abductina. [1]
El uso de abductina varía entre las diferentes especies de moluscos del mundo. Algunos, como las vieiras y las conchas de lima, pueden nadar utilizando un movimiento repetitivo de abrir y cerrar su concha, cuyo movimiento ingiere y expulsa agua rápidamente. [7] En otras especies de moluscos, la presencia de abductina suele localizarse 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 propósito de movimiento, especies como la Apylsia encuentran 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 del resilio, que se utiliza para almacenar energía mecánica para este propósito. [7] La eficacia de la abductina está muy influenciada por los aspectos morfológicos de la concha del molusco, como su tamaño y forma. [7] Otras influencias en el rendimiento de la abductina en los moluscos son la temperatura, donde hay una disminución en el rendimiento 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 del resilio de la almeja se puede modelar como un sistema oscilatorio, donde trabaja contra el músculo abductor para abrir la concha del organismo; el resilio fuerza la apertura de la concha mientras que el músculo abductor controla el cierre de la concha. [7]
Existen pocos datos sobre la estructura y la función de las proteínas elastoméricas compresibles, como la abductina. El conocimiento de las características estructurales subyacentes de estas proteínas puede conducir al desarrollo de una nueva clase de hidrogeles "compresibles" altamente personalizados. El conocimiento de las características estructurales y funcionales subyacentes de los elastómeros naturales compresibles, como la abductina, puede conducir a nuevos bioelastómeros compresibles con propiedades materiales personalizadas. [9]
Al interpretar los exponentes de Hurst como Flory, el agua resulta ser un solvente pobre para los péptidos abductina. [10] Predecir el entorno solvente funcional para proteínas insolubles como la abductina es particularmente difícil porque la hidrofobicidad de la proteína y la probable naturaleza reticulada sugieren un entorno interno menos polar que el solvente circundante. [9]
La presencia de conformaciones extendidas (PPII) y conformaciones plegadas (β-vueltas) en equilibrio para describir la abductina se ha sugerido previamente. [9] Los espectros de dicroísmo circular (CD) revelaron que AMP1 (una secuencia de abductina de 25 aminoácidos) adopta una conformación desordenada dominante a 258 °C y una conformación de poliprolina II (PPII) a 0 °C y 458 °C con una posible cantidad menor de conformadores de β-vueltas de tipo II. [9] Esta observación indica que AMP1 sufre una transición de temperatura inversa en el sentido de que pasa de una conformación desordenada dominante a una conformación PPII periódica y extendida con el aumento de la temperatura. [9] La estructura secundaria de la abductina también se investigó 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 levógiras, en solución acuosa, mientras que tenían giros β de tipo II en trifluoroetanol (TFE), que es un solvente más hidrófobo (menos polar). La coexistencia de PPII y giros β de tipo II y transiciones multiconformacionales inducidas por la temperatura se observaron 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 de CD de soluciones acuosas de AB12 muestran un pico negativo fuerte 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 supera el cero, los espectros sugieren la coexistencia de estructuras desordenadas y hélices PPII. Se puede observar una pequeña banda negativa a ~225 nm, que probablemente resulte del residuo aromático, fenilalanina, en la secuencia. [11]
Se estudió el efecto de la temperatura en la estructura secundaria. Con el aumento de la temperatura, la magnitud de ambos picos en los espectros de CD a 200 y 218 nm disminuyó, lo que es típico de las conformaciones de hélice PPII. Además, el cambio en la 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 crítica superior de solución (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 la ingeniería de sistemas de administración de fármacos porque la encapsulación y la liberación de fármacos se pueden controlar fácilmente mediante el cambio de temperatura. [11]
La proteína basada en abductina era citocompatible y las células se propagaban lentamente cuando se sembraban por primera vez en 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 era similar a la de la albúmina sérica bovina. Por lo tanto, estos estudios demuestran el potencial de las proteínas basadas en abductina en la ingeniería de tejidos y las aplicaciones de 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 superior al de la elastina (0,3-0,6 MPa), pero del mismo orden de magnitud que la resilina (0,6-2 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 basados en proteínas que se pueden utilizar en un número más amplio de aplicaciones. [11]
Se observó visualmente que una solución de AB12 (10 mg/mL en agua Milli-Q) pasaba de transparente a opaca cuando se enfriaba desde temperatura ambiente a temperaturas más bajas (incubada en hielo). Se utilizó la dispersión de luz dinámica (DLS) para investigar más a fondo la respuesta de 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 crítica superior de la solución (UCST). El cambio en el DH a bajas temperaturas fue reversible y mostró cierta histéresis. Se observó un aumento moderado en el DH a partir de los 35 °C, y un aumento más pronunciado en el DH ocurrió a partir de los 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 debería desplazarse hacia las estructuras plegadas, disminuyendo la entropía. El estado multiconformacional no comprimido se recupera con un simple aumento de la 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 la abductina fue aceptada por la Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos el 3 de octubre de 2000 (Patente N.° 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 una a los anticuerpos. [13] Hasta abril de 2022, no ha habido producción a gran escala, ni aplicación, de polímeros derivados de la abductina o secuencias poliméricas relacionadas.