Los científicos revelan el secreto de la naturaleza para la unión superselectiva

Los investigadores de la EPFL descubrieron que el control de las interacciones de unión ultraselectivas entre los nanomateriales y las superficies de las proteínas requiere no solo la modulación de la densidad molecular, sino también el patrón y la rigidez estructural.

investigadores en Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) Descubrieron que controlar las interacciones de enlaces superselectivos entre los nanomateriales y las superficies de las proteínas depende no solo de la densidad molecular, sino también del patrón y la rigidez estructural. Este avance tiene el potencial de mejorar las tecnologías existentes para la prevención de virus y la detección del cáncer.

Gran parte de la biología se reduce al proceso biofísico de unión: la creación de una fuerte conexión entre uno o más grupos de átomos, conocidos como enlazadores, con su molécula receptora correspondiente en una superficie. El evento vinculante es el primer proceso esencial que permite que un virus infecte a un huésped, o la quimioterapia para combatir el cáncer. Pero las interacciones de unión, al menos, nuestra comprensión de ellas, tienen un «problema de Ricitos de oro»: muy pocos enlaces en una sola molécula hacen que sea imposible unirse de manera estable al objetivo correcto, mientras que demasiados pueden provocar efectos secundarios no deseados. .

«Cuando la unión se desencadena por una densidad umbral de receptores diana, llamamos a esta unión ‘súper selectiva’, y es clave para prevenir interacciones aleatorias que pueden conducir a anomalías en la función biológica», explica Martje Bastings, director del Laboratorio de Biomateriales Programables. (PBL) en la Facultad de Ingeniería.” Debido a que la naturaleza no suele complicar demasiado las cosas, queríamos averiguar las interacciones mínimas de enlace que todavía permitirían que ocurriera el enlace superselectivo. También nos interesaba saber si el patrón en el que se organizan las moléculas de enlace hace una diferencia en la selectividad. ¡Resulta que lo es! «

Bastings y cuatro Ph.D. Los estudiantes publicaron recientemente un estudio en Revista de la Sociedad Química Estadounidense que determina el número de unión óptimo para la unión superselectiva: seis. Pero también descubrieron, para su entusiasmo, que la disposición de estas conexiones (en línea, círculo o triángulo, por ejemplo) también afectaba significativamente la efectividad de la unión. Han llamado al fenómeno «reconocimiento de patrones multivalentes» o MPR.

«MPR abre un conjunto completamente nuevo de hipótesis sobre cómo opera la comunicación molecular en los procesos biológicos e inmunológicos. Por ejemplo, el[{» attribute=»»>SARS-CoV-2 virus has a pattern of spike proteins that it uses to bind to cell surfaces, and these patterns could be really critical when it comes to selectivity.”

From coronaviruses to cancer

Because its double helix structure is so precise and well understood, DNA is the perfect model molecule for the PBL’s research. For this study, the team designed a rigid disk made entirely out of DNA, where the position and number of all ligand molecules could be precisely controlled. After engineering a series of ligand-receptor architectures to explore how density, geometry, and nano-spacing influenced binding super-selectivity, the team realized that rigidity was a key factor. “The more flexible, the less precise,” Bastings summarizes.

“Our aim was to carve out design principles in as minimalist a way as possible so that every ligand molecule participates in the binding interaction. What we now have is a really nice toolbox to further exploit super-selective binding interactions in biological systems.”

The applications for such a “toolbox” are far-reaching, but Bastings sees three immediately valuable uses. “Like it or not,” she says, “the SARS-CoV-2 virus is currently a first thought when it comes to virological applications. With the insights from our study, one could imagine developing a super-selective particle with ligand patterns designed to bind with the virus to prevent infection, or to block a cell site so that the virus cannot infect it.”

Diagnostics and therapeutics such as chemotherapy could also benefit from super-selectivity, which could allow for more reliable binding with cancer cells, for which certain receptor molecules are known to have a higher density. In this case, healthy cells would remain undetected, drastically reducing side effects.

Finally, such selectivity engineering could offer key insights into complex interactions within the immune system. “Because we can now play precisely with patterns of what happens at binding sites, we can, in a sense, potentially ‘communicate’ with the immune system,” Bastings says.

Reference: “Multivalent Pattern Recognition through Control of Nano-Spacing in Low-Valency Super-Selective Materials” by Hale Bila, Kaltrina Paloja, Vincenzo Caroprese, Artem Kononenko and Maartje M.C. Bastings, 16 November 2022, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.2c08529