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13/07/2023

Biofabricación de nanopartículas proteicas funcionales mediante el uso de colas de histidina

respresentació de proteïnes

Investigadores del grupo de Nanobiotecnología del IBB-UAB en colaboración con CIBER-BBN e ICTS-Nanbiosis-PPP han desarrollado una nueva técnica de fabricación de nanopartículas proteicas con funcionalidades únicas y útiles en la biomedicina y la biotecnología. El procedimiento de síntesis, eficiente y económico, se produce mediante el uso de péptidos de histidina y de cationes divalentes.

El desarrollo actual de medicamentos innovadores utilizando materiales basados en proteínas es una necesidad apremiante1,2. Sin embargo, crear materiales basados en proteínas versátiles, funcionales y biológicamente seguros, sin utilizar crosslinkers potencialmente tóxicos, representa un desafío3,4. Es por eso necesario conferir habilidades de autoensamblaje a polipéptidos clínicamente relevantes, siendo, aun así, un proceso complejo de ingeniería de proteínas5,6. Curiosamente, la formación de materiales proteicos supramoleculares es algo común en la naturaleza, pero lograr su fabricación artificial a escala nanométrica y utilizando procedimientos sencillos es un reto importante7.

El presente estudio exhibe un enfoque bioquímico novedoso (desarrollado por el grupo de Nanobiotecnología dirigido por el Prof. Antonio Villaverde Corrales; IBB-UAB, en colaboración con el ICTS “NANBIOSIS”, específicamente la Plataforma de Producción de Proteínas del CIBER en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN) y el IBB de la UAB) que permite la fabricación de nanopartículas multiméricas mediante la interacción entre un péptido de 6 histidinas (tag de histidinas) y cationes divalentes (p.ej., zinc). El efecto resultante de este tipo de unión ofrece una forma sostenible, ecológica y altamente eficiente de producir nanopartículas con funcionalidades únicas. Las estructuras generadas tienen un tamaño homogéneo (que oscila entre 10 y 15 nm), son arquitectónicamente estables (especialmente a temperaturas crecientes; de 4 a 50 °C), y poseen funciones transversales. Además, actúan como entidades intermedias durante la formación de micropartículas proteicas8, que imitan a los gránulos de secreción humanos, capaces de liberar de forma efectiva y sostenida la carga terapéutica9,10.

Una de las características más destacadas de esta plataforma reside en el hecho de que la mayoría de las proteínas recombinantes producidas por las industrias bioquímicas y biotecnológicas ya están equipadas con esta cola de histidinas11. Por consiguiente, este procedimiento de biofabricación posibilita la conversión, de manera simple y eficiente, de una amplia variedad de proteínas recombinantes en sus respectivos formatos nano y micro-estructurados de forma económica.

esquema

Representación esquemática del proceso de biofabricación de proteínas con cola de histidinas con relevancia biotecnológica. En dicho proceso, se utilizan cationes divalentes como agentes de unión a concentraciones variables, con el propósito de facilitar la reorganización estructural de las proteínas en estructuras nano y micro-particuladas. Creada con Biorender.com.

En resumen, esta técnica innovadora constituye un progreso significativo en el ámbito de la biofabricación, otorgando a los investigadores una herramienta de gran alcance para la creación de nanomateriales personalizados destinados a diversas aplicaciones biomédicas y biotecnológicas. Su potencial radica en la capacidad de revolucionar los métodos de producción y empleo de nanopartículas, lo cual abre nuevas perspectivas para la investigación y desarrollo en una amplia gama de campos.

Hèctor López-Laguna (1,2,3), Ugutz Unzueta (2,3,4), Esther Vázquez (1,2,3), Antonio Villaverde (1,2,3)

(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)

Referencias

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.

 
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