Biofabricació de nanopartícules proteiques funcionals mitjançant l'ús de cues d'histidina
Investigadors del grup de Nanobiotecnologia del IBB-UAB en col·laboració amb CIBER-BBN i ICTS-Nanbiosis-PPP han desenvolupat una nova tècnica de fabricació de nanopartícules proteiques amb funcionalitats úniques i útils a la biomedicina i la biotecnologia. El procediment de síntesi, eficient i econòmic, es podueix mitjançant l'ús de pèptids d'histidina i de cations divalents.
El desenvolupament actual de medicaments innovadors utilitzant materials basats en proteïnes és una necessitat primordial1,2. No obstant això, la creació de materials proteics versàtils, funcionals i biològicament segurs, sense utilitzar crosslinkers potencialment tòxics, representa un repte3,4. Per això és necessari dotar de capacitats d'autoassemblatge a polipèptids clínicament rellevants, tot i que això suposa un procés complex d'enginyeria de proteïnes5,6. Curiosament, la formació de materials proteics supramoleculars és habitual en la natura, però aconseguir la seva fabricació artificial a escala nanomètrica i utilitzant procediments senzills és un desafiament important7.
El present estudi exhibeix una aproximació bioquímica innovadora (desenvolupada pel grup de Nanobiotecnologia dirigit pel Prof. Antonio Villaverde Corrales; IBB-UAB, en col·laboració amb el ICTS “NANBIOSIS”, específicament la Plataforma de Producció de Proteïnes del CIBER en Bioenginyeria, Biomaterials i Nanomedicina (CIBER-BBN) i l’IBB de la UAB) que permet la fabricació de nanopartícules multimèriques mitjançant la interacció entre un pèptid de 6 histidines (cua d’histidines) i cations divalents (p. ex., zinc). L'efecte resultant d'aquest tipus d'unió ofereix una forma sostenible, ecològica i altament eficient de produir nanopartícules amb funcionalitats úniques. Les estructures generades tenen una mida regular (que oscil·la entre 10 i 15 nm), són arquitectònicament estables (especialment a temperatures creixents; de 4 a 50 °C) i posseeixen funcions transversals. A més, actuen com a entitats intermèdies durant la formació de micropartícules proteiques8, que imiten els grànuls de secreció humans, capaços d’alliberar de forma efectiva i sostinguda la càrrega terapèutica9,10.
Una de les característiques més destacades d'aquesta plataforma rau en el fet que la majoria de les proteïnes recombinants produïdes per les indústries bioquímiques i biotecnològiques ja estan equipades amb aquesta cua d'histidines11. Per tant, aquest procediment de biofabricació possibilita la conversió, de manera simple i eficient, d'una àmplia varietat de proteïnes recombinants en els seus respectius formats nano i micro-estructurats de forma econòmica.
Representació esquemàtica del procés de biofabricació de proteïnes amb cua d'histidines amb rellevància biotecnològica. En aquest procés, s'utilitzen cations divalents com a agents d'unió a concentracions variables, amb la finalitat de facilitar la reorganització estructural de les proteïnes en estructures nano i micro-particulades. Creada amb Biorender.com
En resum, aquesta tècnica innovadora constitueix un progrés significatiu en l'àmbit de la biofabricació, atorgant als investigadors una eina de gran abast per a la creació de nanomaterials personalitzats destinats a diverses aplicacions biomèdiques i biotecnològiques. El seu potencial rau en la capacitat de revolucionar els mètodes de producció i ús de les nanopartícules, obrint noves perspectives per a la investigació i el desenvolupament en una àmplia gamma de camps.
(1) Institut de Biotecnologia i de Biomedicina, Universitat Autònoma de Barcelona
(2) Departament de Genètica i de Microbiologia, Universitat Autònoma de Barcelona
(3) CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), Madrid
(4) Instituto de Investigación Biomédica Sant Pau (IIB-Sant Pau), Barcelona
Referències
López-Laguna, H., Sánchez, J. M., Carratalá, J. V., Rojas-Peña, M., Sánchez-García, L., Parladé, E., Sánchez-Chardi, A., Voltà-Durán, E., Serna, N., Cano-Garrido, O., Flores, S., Ferrer-Miralles, N., Nolan, V., De Marco, A., Roher, N., Unzueta, U., Vazquez, E., & Villaverde, A. (2021). Biofabrication of functional protein nanoparticles through simple His-tag engineering. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 9(36). https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c04256
1. Silva NHCS, Vilela C, Marrucho IM, Freire CSR, Pascoal Neto C, Silvestre AJD. Protein-based materials: from sources to innovative sustainable materials for biomedical applications. J Mater Chem B. 2014;2(24):3715.
2. Gagner JE, Kim W, Chaikof EL. Designing protein-based biomaterials for medical applications. Acta Biomater. 2014 Apr;10(4):1542–57.
3. Song K, Xu H, Mu B, Xie K, Yang Y. Non-toxic and clean crosslinking system for protein materials: Effect of extenders on crosslinking performance. J Clean Prod. 2017 May;150:214–23.
4. Miserez A, Yu J, Mohammadi P. Protein-Based Biological Materials: Molecular Design and Artificial Production. Chem Rev. 2023 Mar 8;123(5):2049–111.
5. Katyal P, Meleties M, Montclare JK. Self-Assembled Protein- and Peptide-Based Nanomaterials. ACS Biomater Sci Eng. 2019 Sep 9;5(9):4132–47.
6. Wang Y, Katyal P, Montclare JK. Protein-Engineered Functional Materials. Adv Healthc Mater. 2019 Jun 2;8(11):1801374.
7. Hamley IW. Protein Assemblies: Nature-Inspired and Designed Nanostructures. Biomacromolecules. 2019 May 13;20(5):1829–48.
8. López-Laguna H, Parladé E, Álamo P, Sánchez JM, Voltà-Durán E, Serna N, et al. In Vitro Fabrication of Microscale Secretory Granules. Adv Funct Mater. 2021 May 17;31(21):2100914.
9. Álamo P, Parladé E, López-Laguna H, Voltà-Durán E, Unzueta U, Vazquez E, et al. Ion-dependent slow protein release from in vivo disintegrating micro-granules. Drug Deliv. 2021 Jan 1;28(1):2383–91.
10. Sánchez JM, López-Laguna H, Álamo P, Serna N, Sánchez-Chardi A, Nolan V, et al. Artificial Inclusion Bodies for Clinical Development. Advanced Science. 2020 Feb 27;7(3):1902420.
11. López-Laguna H, Voltà-Durán E, Parladé E, Villaverde A, Vázquez E, Unzueta U. Insights on the emerging biotechnology of histidine-rich peptides. Biotechnol Adv. 2022 Jan;54:107817.
