La naturaleza utiliza 20 aminoácidos esenciales como componentes básicos para fabricar proteínas, combinando sus secuencias para formar moléculas complejas que realizan funciones biológicas.
Pero, ¿qué sucede con las secuencias no especificadas por la naturaleza? ¿Y cuáles son las posibilidades de construir secuencias completamente nuevas para crear proteínas nuevas (de novo) que se parezcan poco a algo en la naturaleza?
Esta es el área donde Michael Hecht, profesor de química, trabaja con su grupo de investigación. Recientemente, su curiosidad por diseñar sus propias secuencias ha dado sus frutos.
Descubre el primero de novo (recién creado) proteína estimula (conduce) la síntesis 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 no derivadas de la naturaleza se pueden utilizar para sintetizar materiales funcionales, con claros beneficios para el medio ambiente.
Los puntos cuánticos suelen fabricarse en entornos industriales con altas temperaturas y disolventes tóxicos y caros, un proceso que no es ni económico ni respetuoso con el medio ambiente. Pero Hecht y su grupo de investigación detuvieron el proceso en el laboratorio usando agua como solvente, creando un producto final estable a temperatura ambiente.
«Estamos interesados en hacer moléculas de vida, proteínas, que no se originaron en la vida», dijo Hecht, quien dirigió la investigación con Greg Scholes, profesor de química William S. Todd y director del departamento. «Preguntamos de alguna manera, ¿hay alternativas a la vida tal como la conocemos? Toda la vida en la Tierra surgió de un origen común. Pero si creamos moléculas vibrantes que no surgieron de un origen común, ¿pueden hacer cosas maravillosas? Así que aquí , hacemos nuevas proteínas que no surgieron antes en la vida y hacemos cosas que no existían en la vida”.
El proceso del equipo también puede ajustar el tamaño de las nanopartículas, que determinan de qué color brillan o emiten fluorescencia los puntos cuánticos. Esto tiene potencial para marcar moléculas dentro de un sistema biológico, como teñir células cancerosas in 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 el laboratorio de Hecht. «Son muy buenos para absorber y convertir la luz energía química—lo que los hace útiles en la fabricación de paneles solares o cualquier tipo de fotosensor.
«Pero por otro lado, también son muy buenos para emitir luz en una longitud de onda específica y deseable, lo que los hace adecuados para hacer pantallas LED».
Y debido a que son pequeños (solo alrededor de 100 átomos de largo y quizás 2 nanómetros de ancho), pueden penetrar algunas barreras biológicas, lo que hace que su utilidad en medicamentos e imágenes biológicas sea particularmente prometedora.
¿Por qué usamos proteínas de novo?
«Creo que el uso de proteínas de novo abre el camino para la escalabilidad del diseño», dijo Leah Spangler, autora principal del artículo y ex investigadora postdoctoral en el laboratorio de Scholes. «La 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 fabricamos aún no son de alta calidad, pero se pueden mejorar ajustando», agregó. «Podemos lograr una mejor calidad modificando la proteína para afectar la formación de puntos cuánticos de diferentes maneras».
Sobre la base del trabajo realizado por el autor correspondiente Sarangan Shari, un químico senior en el laboratorio de Hecht, el equipo usó una proteína de novo que diseñaron 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 novo» porque su secuencia es diferente a cualquier proteína natural.
Los investigadores encontraron que ConK permitió la supervivencia de E. coli en concentraciones tóxicas de cobre, lo que sugiere que puede 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 ensamblar puntos cuánticos.
Su intuición valió la pena. ConK descompone la cisteína, que es uno de los 20 Aminoácidos, en muchos productos, incluido el sulfuro de hidrógeno. Esto actúa como una 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, se necesita una fuente de cadmio y una fuente de azufre para reaccionar en solución», dijo Spangler. «Lo que hace la proteína es hacer que la fuente de azufre sea más lenta con el tiempo. Por lo tanto, agregamos cadmio al principio, pero la proteína genera azufre, que luego reacciona para formar distintos tamaños de puntos cuánticos».
El estudio ha sido publicado en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
más información:
Leah C. Spangler et al, Una proteína de novo cataliza la síntesis de puntos cuánticos semiconductores, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204050119. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2204050119
Introducción de
Universidad de Princeton
La frase: Chemists Create Quantum Dots at Room Temperature Using Lab-Designed Protein (12 de diciembre de 2022) Consultado el 12 de diciembre de 2022 en https://phys.org/news/2022-12-chemists-quantum-dots-room-temperature.html
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