Más que un simple signo de enfermedad, el moco es una parte fundamental de las defensas de nuestro cuerpo contra las enfermedades. Todos los días, nuestros cuerpos producen más de un litro de la sustancia resbaladiza, cubriendo una superficie de más de 400 metros cuadrados para atrapar y desarmar a los invasores microbianos.
El moco está hecho de mucinas, proteínas decoradas con moléculas de azúcar. Muchos científicos están tratando de crear versiones sintéticas de mucinas con la esperanza de replicar sus características beneficiosas. En un nuevo estudio, los investigadores del MIT ahora han generado mucinas sintéticas con una estructura polimérica que imitan con mayor precisión la estructura y función de las mucinas naturales. El equipo también demostró que estas mucinas sintéticas podrían neutralizar eficazmente la toxina bacteriana que causa el cólera.
Los hallazgos podrían ayudar a dar a los investigadores una mejor idea de qué características de las mucinas contribuyen a diferentes funciones, especialmente sus funciones antimicrobianas, dice Laura Kiessling, profesora de Química de Novartis en el MIT. Replicar esas funciones en mucinas sintéticas podría eventualmente conducir a nuevas formas de tratar o prevenir enfermedades infecciosas, y es menos probable que tales materiales conduzcan al tipo de resistencia que ocurre con los antibióticos, dice ella.
“Realmente nos gustaría comprender qué características de las mucinas son importantes para sus actividades e imitar esas características para que pueda bloquear las vías de virulencia en los microbios”, dice Kiessling, autor principal del nuevo estudio.
El laboratorio de Kiessling trabajó en este proyecto con Katharina Ribbeck, profesora de desarrollo profesional de ingeniería biológica Mark Hyman, Jr., y Richard Schrock, profesor emérito de química de FG Keyes, quienes también son autores del artículo. Los autores principales del artículo, que aparece hoy en Ciencia Central ACS, son el ex estudiante graduado del MIT Austin Kruger y el postdoctorado del MIT Spencer Brucks.
Inspirado por el moco
Kiessling y Ribbeck unieron fuerzas para intentar crear materiales inspirados en el moco en 2018, con fondos de una Beca de Investigación del Profesor Amar G. Bose. Los componentes principales del moco son las mucinas: proteínas largas, parecidas a un cepillo de botella, con muchas moléculas de azúcar llamadas glicanos adheridas. Ribbeck ha descubierto que estas mucinas interrumpen muchas funciones clave de las bacterias infecciosas, incluida su capacidad para secretar toxinas, comunicarse entre sí y adherirse a las superficies celulares.
Esas características han llevado a muchos científicos a intentar generar versiones artificiales que podrían ayudar a prevenir o tratar la infección bacteriana. Sin embargo, las mucinas son tan grandes que ha sido difícil replicar su estructura con precisión. Cada polímero de mucina tiene una cadena principal larga que consta de miles de aminoácidos, y se pueden unir muchos glicanos diferentes a estas cadenas principales.
En el nuevo estudio, los investigadores decidieron centrarse en la columna vertebral del polímero. Para intentar replicar su estructura, utilizaron una reacción llamada polimerización por metátesis con apertura de anillo. Durante este tipo de reacción, un anillo que contiene carbono se abre para formar una molécula lineal que contiene un doble enlace carbono-carbono. Estas moléculas se pueden unir para formar polímeros largos.
En 2005, Schrock compartió el Premio Nobel de Química por su trabajo en el desarrollo de catalizadores que pueden impulsar este tipo de reacción. Más tarde, desarrolló un catalizador que podría producir específicamente la configuración “cis” de los productos. Cada átomo de carbono en el doble enlace generalmente tiene otro grupo químico unido a él, y en la configuración cis, ambos grupos están en el mismo lado del doble enlace. En la configuración “trans”, los grupos están en lados opuestos.
Para crear sus polímeros, los investigadores utilizaron el catalizador de Schrock, que se basa en tungsteno, para formar versiones cis de polímeros miméticos de mucina. Compararon estos polímeros con los producidos por un catalizador diferente a base de rutenio, que crea versiones trans. Descubrieron que las versiones cis eran mucho más similares a las mucinas naturales, es decir, formaban polímeros solubles en agua muy alargados. Por el contrario, los polímeros trans formaron glóbulos que se agruparon en lugar de estirarse.
Imitando mucinas
Luego, los investigadores probaron la capacidad de las mucinas sintéticas para imitar las funciones de las mucinas naturales. Cuando se expusieron a la toxina producida por Vibrio cholerae, los polímeros cis alargados fueron mucho más capaces de capturar la toxina que los polímeros trans, encontraron los investigadores. De hecho, los imitadores sintéticos de cis mucina fueron incluso más efectivos que las mucinas naturales.
Los investigadores también encontraron que sus polímeros alargados eran mucho más solubles en agua que los polímeros trans, lo que podría hacerlos útiles para aplicaciones como gotas para los ojos o humectantes para la piel.
Ahora que pueden crear mucinas sintéticas que imitan de manera efectiva a las reales, los investigadores planean estudiar cómo cambian las funciones de las mucinas cuando se adhieren diferentes glucanos a la columna vertebral. Al alterar la composición de los glicanos, esperan desarrollar mucinas sintéticas que puedan amortiguar las vías de virulencia de una variedad de microbios.
“Estamos pensando en formas de imitar aún mejor las mucinas, pero este estudio es un paso importante para comprender qué es relevante”, dice Kiessling.
Además de la subvención Bose, la investigación fue financiada por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas, la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas.
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