La naturaleza utiliza 20 aminoácidos canónicos como componentes básicos para fabricar proteínas, combinando sus secuencias para crear moléculas complejas que realizan funciones biológicas.
Pero que pasa con las secuencias no seleccionado por la naturaleza? ¿Y qué posibilidades hay en la construcción de secuencias completamente nuevas para hacer una novela, o de novo, proteínas que se parecen poco a algo en la naturaleza?
Ese es el terreno en el que trabaja el Laboratorio Hecht de la Universidad de Princeton. Y recientemente, su curiosidad por diseñar sus propias secuencias valió la pena.
Descubrieron el primero conocido de novo proteína que cataliza, o impulsa, la síntesis de puntos cuánticos. Los puntos cuánticos son nanocristales fluorescentes que se utilizan en aplicaciones electrónicas, desde pantallas LED hasta paneles solares.
Su trabajo abre la puerta a la fabricación de nanomateriales de una manera más sostenible al demostrar que las secuencias de proteínas que no se derivan de la naturaleza se pueden utilizar para sintetizar materiales funcionales, con importantes beneficios para el medio ambiente.
Los puntos cuánticos normalmente se fabrican en entornos industriales con altas temperaturas y solventes tóxicos y costosos, un proceso que no es ni económico ni ecológico. Pero los investigadores de Hecht Lab llevaron a cabo el proceso en el banco usando agua como solvente, creando un producto final estable a temperatura ambiente.
«Estamos interesados en hacer moléculas de vida, proteínas, que no surgieron en la vida», dijo el profesor de química Michael Hecht, quien dirigió la investigación con Greg Scholes, profesor de química William S. Tod y presidente del departamento. «De alguna manera nos preguntamos, ¿hay alternativas a la vida tal como la conocemos? Toda la vida en la Tierra surgió de un ancestro común. Pero si creamos moléculas realistas que no surgieron de un ancestro común, ¿pueden hacer cosas geniales?
«Así que aquí, estamos haciendo nuevas proteínas que nunca surgieron en la vida haciendo cosas que no existen en la vida».
El proceso del equipo también puede ajustar el tamaño de las nanopartículas, lo que determina el brillo o la fluorescencia de los puntos cuánticos de color. Eso ofrece posibilidades para marcar moléculas dentro de un sistema biológico, como teñir células cancerosas. en vivo.
«Los puntos cuánticos tienen propiedades ópticas muy interesantes debido a sus tamaños», dijo Yueyu Yao, coautor del artículo y estudiante graduado de quinto año en Hecht Lab. «Son muy buenos para absorber la luz y convertirla en energía química, lo que los hace útiles para convertirlos en paneles solares o cualquier tipo de fotosensor.
«Pero, por otro lado, también son muy buenos para emitir luz en una cierta longitud de onda deseada, lo que los hace adecuados para fabricar pantallas LED».
Y debido a que son pequeños, compuestos por solo alrededor de 100 átomos y quizás 2 nanómetros de ancho, pueden penetrar algunas barreras biológicas, lo que hace que su utilidad en medicamentos e imágenes biológicas sea especialmente prometedora.
La investigación, «Un de novo proteína cataliza la síntesis de puntos cuánticos semiconductores», se publicó esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).
¿Por qué usar proteínas de novo?
«Creo que usar de novo las proteínas abren un camino para la designabilidad”, dijo Leah Spangler, autora principal de la investigación y ex postdoctorado en Scholes Lab. “Una palabra clave para mí es ‘ingeniería’. Quiero poder diseñar proteínas para hacer algo específico, y este es un tipo de proteína con el que puedes hacerlo.
«Los puntos cuánticos que estamos haciendo aún no son de gran calidad, pero eso se puede mejorar ajustando la síntesis», agregó. «Podemos lograr una mejor calidad mediante la ingeniería de la proteína para influir en la formación de puntos cuánticos de diferentes maneras».
Basado en el trabajo realizado por Sarangan Chari, químico senior de Hecht Lab y autor correspondiente, el equipo utilizó un de novo proteína que diseñó llamada ConK para catalizar la reacción. Los investigadores aislaron ConK por primera vez en 2016 a partir de una gran biblioteca combinatoria de proteínas. Todavía está hecho de aminoácidos naturales, pero califica como «de novoporque su secuencia no tiene ninguna similitud con una proteína natural.
Los investigadores encontraron que ConK permitía la supervivencia de E. coli en concentraciones de cobre que de otro modo serían tóxicas, lo que sugiere que podría ser útil para la unión y el secuestro de metales. Los puntos cuánticos utilizados en esta investigación están hechos de sulfuro de cadmio. El cadmio es un metal, por lo que los investigadores se preguntaron si ConK podría usarse para sintetizar puntos cuánticos.
Su corazonada valió la pena. ConK descompone la cisteína, uno de los 20 aminoácidos, en varios productos, incluido el sulfuro de hidrógeno. Eso actúa como la fuente activa de azufre que luego reaccionará con el cadmio metálico. El resultado son puntos cuánticos CdS.
«Para hacer un punto cuántico de sulfuro de cadmio, necesita que la fuente de cadmio y la fuente de azufre reaccionen en solución», dijo Spangler. «Lo que hace la proteína es generar la fuente de azufre lentamente con el tiempo. Entonces, agregamos el cadmio inicialmente, pero la proteína genera el azufre, que luego reacciona para formar distintos tamaños de puntos cuánticos».
Esta investigación fue apoyada por el programa MRSEC de la Fundación Nacional de Ciencias (DMR-2011750), el Centro de Escritura de la Universidad de Princeton y el Instituto Canadiense de Investigación Avanzada. La investigación también fue apoyada por la subvención MCB-1947720 de la NSF a MH.
