técnica novedosa para el manejo de las moléculas
Como grandes empresas de comercio internacional, los sistemas biológicos recogen artículos de la carga (en forma de pequeñas moléculas), los transportan de un lugar a otro y liberarlos a su destino correcto. Estos procesos ubicuos son críticos para actividades que van desde la fotosíntesis para la señalización neuronal.
La captura eficiente, transporte y liberación de moléculas también es vital para el mantenimiento del equilibrio (o homeostasis), esencial para todos los seres vivos.
En la investigación aparece en la edición actual de la revista Nature Chemistry , Ximin Él, Ph.D., y sus colegas describen un método capaz de imitar la capacidad de la naturaleza para ordenar, captura, transporte y liberar moléculas. La técnica prepara el escenario para la manipulación continua y eficaz de una gran variedad de moléculas de importancia para la salud humana y del medio ambiente.
Profesor Él es un investigador en el Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona, donde recientemente se unió al Centro de Diseño Molecular y Biomimética. (El Centro está bajo la dirección de Hao Yan, Ph.D., quien tiene el Martin D. Glick Distinguido silla profesor en el Colegio de Artes Liberales y Ciencias, Química y Bioquímica.)
El mundo material
Gran parte de él es la investigación, el proyecto actual incluye, centros de todo el diseño de materiales y dispositivos capaces de reaccionar a señales ambientales, la adaptación de sus conductas y exhibiendo autorregulación ambientalmente sensibles de bajo consumo. Tales análogos biomiméticos muestran notable potencial para aplicaciones que van desde la detección biológica / química y la separación de la recolección y conversión de energía.
"Los sistemas biológicos utilizan la retroalimentación como un componente crucial para proporcionar un rendimiento eficiente. Sin embargo, el uso de la retroalimentación no se ha explotado en una medida suficiente en el diseño de nuevos sistemas de materiales", dice. "Tenemos que aprender a ingeniero de respuesta a los cambios ambientales y la capacidad de realizar funciones importantes en el marco de los nuevos materiales. En esta investigación, los elementos se integren para habilitar la funcionalidad adaptativa y abarcar retroalimentación."
La investigación altamente interdisciplinario integra la química, la ciencia de los materiales y la ingeniería mecánica, además de la biología. Cuenta con amplias implicaciones en diversos campos que van desde la biotecnología y la biomedicina a la ingeniería química y remediación ambiental.
Recetas de la Naturaleza
Autocontrol y autorregulación continua son características de los sistemas vivos, que convierten a la perfección química en energía mecánica y viceversa, sutilmente ajustar su estado como cambian las condiciones ambientales. A estos efectos, se necesitan componentes macromoleculares capaz de convertir acontecimientos químicos en movimiento mecánico o viceversa. Transformaciones de la energía química y mecánica son esenciales para la autorregulación y la supervivencia organicista y son responsables de fenómenos tales como la síntesis de ATP y la contracción muscular.
Los investigadores les gustaría crear materiales sintéticos que pueden imitar este comportamiento, pero la tarea ha sido difícil. Típicamente, los materiales sintéticos operan en una sola dirección, ya sea la transformación química en energía mecánica o viceversa, y tienden a ser sensibles a un repertorio química limitada.
Por el contrario, el método descrito en el nuevo estudio ofrece una gran versatilidad, que permite la captura, transporte y liberación de moléculas diana específicas de soluciones mixtas complejos. El enfoque descrito podría aplicarse a los sistemas de administración de fármacos de liberación sostenida, las nuevas generaciones de diagnóstico ultra-sensibles y dispositivos de detección química.
Además de las aplicaciones en biomedicina, la capacidad de la técnica para extraer una serie de componentes de soluciones químicamente complejas se podría aplicar un día ya un medio de bajo consumo de retirar los desechos del medio ambiente, la captura de minerales valiosos, la realización de la desalinización de agua de mar o la pesca de arrastre de sustancias peligrosas como nucleidos radiactivos o metales pesados en los ríos y arroyos. El método es rápido y adecuado para numerosas aplicaciones biológicas y biomédicas que requieren la separación de las muestras de sub-microlitros para el análisis de aguas abajo.
A diferencia de la mayoría de los métodos existentes, la nueva técnica puede funcionar de forma autónoma, imitando la naturaleza de autorregulación de los sistemas vivos, a través de la retroalimentación interconectado bucles. Esta propiedad permite que el sistema funcione con alta eficiencia y fiabilidad sin necesidad de fuentes de energía externas, como láser, infrarrojos, campos magnéticos o eléctricos utilizados en materiales y dispositivos convencionales.
Tamizar para moléculas
En el corazón del nuevo sistema es una sustancia conocida como un hidrogel, un polímero altamente absorbente que puede imitar ciertas propiedades de tejido vivo. De hecho, los hidrogeles se aplican a veces como andamios para los cultivos celulares utilizados para reparar el tejido dañado.
Algunos hidrogeles también muestran una sensibilidad delicadamente sintonizable a su entorno. Estos hidrogeles - a veces denominados «Geles inteligentes '- pueden detectar cambios sutiles en su entorno, incluyendo alteraciones de la temperatura, el pH o la concentración de metabolitos. En respuesta, el hidrogel puede expandirse o contraerse, y en el proceso, causar la unión o liberar moléculas diana especificados, bajo condiciones apropiadas, (véase la Figura 1).
En el estudio actual, los investigadores diseñaron un sistema quimiomecánico usando aptámeros capaces de detectar la enzima humana, la trombina. (Los aptámeros son ADN, ARN o moléculas de péptidos sensibles a objetivos químicos específicos).Aptámeros de unión para la trombina se utilizaron para decorar aletas microscópicas incrustados en un hidrogel sensible al pH.
Cambios en el pH y produce una expansión o contracción del hidrogel mueve los aptámeros-trombina sensible - que son también sensible al pH - entre los dos ambientes químicamente distintas. Bajo pH bajo, los aptámeros desnaturalizan, perdiendo su afinidad por la trombina, ayudando aún más en la liberación de trombina coincidiendo con la contracción de hidrogel.
Hallazgos
El sistema de clasificación mostró eficaz y reversible, de unión, transporte y liberación de trombina bajo control sensible al pH. Con pH ajustado a un intervalo de 6-7, se produce la unión, seguido por la liberación molécula cuando el pH cae por debajo de 5. Los autores comparan el proceso para kinesins y dyneins - proteínas de origen natural de motor que caminan a lo largo de carreteras celulares conocidas como microtúbulos, llevando a lo largo variada de carga molecular para la distribución dentro de la célula.
El sistema de hidrogel aptámero ordenadas cuidadosamente moléculas de trombina a partir de una solución rica en proteínas también contiene transferrina, una glicoproteína de plasma de unión a hierro y albúmina de suero bovino. Moléculas de trombina fueron transportados desde la solución superior del dispositivo de microfluidos para la solución inferior, donde fueron puestos en libertad. (Como se preveía, los experimentos de control en la que el aptámero se une a trombina fue falta o no coincidentes no logró recuperarse cantidades detectables de trombina.)
La nueva técnica ofrece un avance significativo sobre los métodos convencionales de biomoléculas de clasificación, que normalmente implican la modificación molecular, numerosos pasos experimentales y la entrada de energía a partir de fuentes externas.Además, el nuevo sistema es altamente adaptable a diferentes situaciones, lo que permite el control de grano fino durante la separación continua.
La naturaleza reversible del sistema de captura, transporte y liberación permite el reciclaje múltiple de biomoléculas y las altas tasas de recuperación de destino. El uso de materiales sensibles complementarios permite al sistema ser diseñado a medida para satisfacer una amplia gama de necesidades.
Fuente:
La historia anterior se basa en los materiales proporcionados por la Universidad Estatal de Arizona . El artículo original fue escrito por Richard Harth. Nota: Los materiales se puede editar el contenido y duración.
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