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Movimiento de los maxilípedos del cangrejo de río Pacifastacus leniusculus capturado a una velocidad de fotogramas de 1000 Hz. La resilina es una proteína elastomérica present...

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Movimiento de los maxilípedos del cangrejo de río Pacifastacus leniusculus capturado a una velocidad de fotogramas de 1000  Hz.

La resilina es una proteína elastomérica presente en muchos insectos y otros artrópodos . Proporciona elasticidad y suavidad a órganos y tejidos mecánicamente activos; por ejemplo, permite a insectos de muchas especies saltar o pivotar sus alas con eficacia. La resilina fue descubierta por primera vez por Torkel Weis-Fogh en las bisagras de las alas de las langostas.

La resilina es actualmente la proteína elástica más eficiente conocida (Elvin et al., 2005). Se ha informado que la eficiencia elástica de la resilina aislada del tendón de langosta es del 97 % (solo el 3 % de la energía almacenada se pierde en forma de calor). No tiene una estructura regular, pero sus cadenas enrolladas aleatoriamente están entrecruzadas por enlaces de di- y tritirosina con el espaciado adecuado para conferir la elasticidad necesaria para impulsar a algunos insectos saltadores a distancias de hasta 38 veces su longitud (como se observa en las pulgas). La resilina debe durar toda la vida de los insectos adultos y, por lo tanto, debe funcionar durante cientos de millones de extensiones y contracciones ; su eficiencia elástica garantiza el rendimiento durante toda la vida del insecto. La resilina exhibe un comportamiento elastomérico inusual solo cuando se hincha en disolventes polares como el agua.

En 2005, se sintetizó una forma recombinante de la proteína resilina de la mosca Drosophila melanogaster mediante la expresión de una parte del gen de la mosca en la bacteria Escherichia coli . Actualmente se están realizando estudios para investigar las posibles aplicaciones de las resilinas recombinantes en la ingeniería biomédica y la medicina.

Aparición

Después de su descubrimiento en tendones elásticos de libélulas y bisagras de alas de langostas , la resilina se ha encontrado en muchas estructuras y órganos de artrópodos . [ 1 ] La resilina se encuentra a menudo como un compuesto con quitina en la cutícula de los insectos , donde la quitina actúa como componente estructural. La resilina proporciona elasticidad y posiblemente otras propiedades. Se ha descubierto en la bomba salival de chinches asesinas ( Rhodnius prolixus ), moscas tsetsé y abejas melíferas , y en el mecanismo que proporciona resistencia para la bomba dispensadora de veneno de los aguijones de las abejas melíferas . La resilina también se ha encontrado en los órganos de producción de sonido de artrópodos, como las cigarras y la familia de polillas Pyralidae , donde tanto la alta elasticidad como la alta resiliencia de la resilina desempeñan papeles importantes debido a los ciclos rápidos de liberación de tensión de los tímpanos productores de sonido . Además de estas estructuras, la resilina existe de forma más generalizada en los sistemas de locomoción de los artrópodos. Se descubrió en las bisagras de las alas para permitir la recuperación tras la deformación de los elementos alares y amortiguar las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre ellas; en los sistemas de locomoción de cucarachas y moscas para facilitar la rápida deformación de las articulaciones; en los mecanismos de salto, la resilina almacena energía cinética con gran eficiencia y la libera al descargarse. También abunda en la cutícula que rodea el abdomen de termitas, hormigas y abejas, que se expande e hincha considerablemente durante los procesos de alimentación y reproducción. [ 1 ]

Composición de resilina

Componentes de aminoácidos

Composición de aminoácidos de la resilina

La composición de aminoácidos de la resilina fue analizada en 1961 por Bailey y Torkel Weis-Fogh al observar muestras de los ligamentos de la bisagra del brazo prealar y del ala de las langostas. El resultado indica que la resilina carece de metionina , hidroxiprolina y cisteína en su composición de aminoácidos. [ 2 ]

Secuencia de proteínas

Se identificó que la resilina es un producto del gen CG15920 de Drosophila melanogaster debido a las similitudes entre las composiciones de aminoácidos de la resilina y el producto del gen. [ 3 ] El gen de Drosophila melanogaster está compuesto por 4 exones , que codifican 4 segmentos funcionales en CG15920: péptido señal y 3 péptidos codificados por los exones 1, 2 y 3. [ 4 ] El péptido señal guía la pro-resilina al espacio extracelular, donde las proteínas de resilina se agregan y se entrecruzan para formar una red, y luego se corta de los péptidos, de modo que la resilina naciente se convierte en resilina madura. Desde el extremo N, el segmento codificado por el exón 1 contiene 18 copias de una secuencia repetida de 15 residuos (GGRPSDSYGAPGGGN); El segmento correspondiente al exón 2 contiene 62 aminoácidos de la secuencia consenso Rebers-Riddiford (RR) de unión a quitina ( Pfam PF00379 ); el péptido codificado por el exón 3 está dominado por 11 copias de una secuencia repetitiva de 13 residuos (GYSGGRPGGQDLG). Mientras que la glicina y la prolina enriquecidas en los exones 1 y 3 introducen estructuras cíclicas en la proteína, los residuos de tirosina pueden formar enlaces cruzados de di- y tritirosina entre proteínas.

Estructura secundaria

El mecanismo de acción de la resilina

La resilina es una proteína desordenada; sin embargo, sus segmentos pueden adoptar estructuras secundarias bajo diferentes condiciones. Se ha descubierto que la secuencia peptídica codificada por el exón 1 presenta una forma no estructurada y no puede cristalizarse, lo que le confiere una gran flexibilidad. El péptido codificado por el exón 3 adopta una forma no estructurada antes de la carga, pero se transforma en una estructura ordenada de giro beta una vez que se aplica tensión. Mientras tanto, el segmento codificado por el exón 2 actúa como dominio de unión a quitina. [ 4 ] Se propone que, al aplicarse tensión o al recibir energía, el péptido codificado por el exón 1 responde inmediatamente debido a su alta flexibilidad. Una vez que esto ocurre, la energía se transfiere al péptido codificado por el exón 3, que se transforma de la forma no estructurada a una estructura de giro beta para almacenar energía. Una vez eliminada la tensión o la energía, el segmento codificado por el exón 3 revierte la transformación estructural y libera la energía al segmento codificado por el exón 1. [ 4 ]

Otra estructura secundaria que pueden adoptar los péptidos correspondientes a los exones 1 y 3 es la hélice de poliprolina (PPII), indicada por la alta presencia de prolina y glicina en estos dos segmentos. La estructura PPII existe ampliamente en proteínas elastoméricas, como la abductina , la elastina y la titina . [ 5 ] Se cree que contribuye al proceso de autoensamblaje y a la elasticidad de la proteína. [ 4 ] Se propone que el mecanismo elástico de la resilina está relacionado con la entropía . En estado relajado, el péptido está plegado y posee una gran entropía, pero una vez que se estira, la entropía disminuye a medida que el péptido se despliega. La coexistencia de PPII y giro beta juega un papel importante en el aumento de la entropía cuando la resilina regresa a su forma desordenada. [ 6 ] La otra función de PPII es facilitar el proceso de autoensamblaje: se ha descubierto que el PPII cuasi-extendido es capaz de interactuar a través de una reacción intermolecular e iniciar la formación de una estructura supramolecular fibrilar. [ 6 ]

Estructura jerárquica

Mientras que las estructuras secundarias están determinadas por el estado energético y los enlaces de hidrógeno formados entre los aminoácidos, las estructuras jerárquicas están determinadas por la hidrofobicidad del péptido. El péptido codificado por el exón 1 es principalmente hidrofílico y se extiende más al sumergirse en agua. [ 7 ] En contraste, el péptido codificado por el exón 3 contiene bloques tanto hidrofóbicos como hidrofílicos, lo que sugiere la formación de micelas, donde el bloque hidrofóbico se agrupará en el interior con la porción hidrofílica rodeándolo. [ 7 ] Por lo tanto, una sola proteína resilina completa, al sumergirse en agua, adopta la estructura en la que el segmento codificado por el exón 1 se extiende hacia afuera de la micela que forma el péptido codificado por el exón 3. [ 7 ]

Una vez que la resilina se transfiere al exterior de la célula, sus péptidos codificados por el exón 2, los segmentos de unión a quitina, se unen a la quitina. [ 1 ] Mientras tanto, se forma un entrecruzamiento de di- o tritirosina mediante acoplamiento oxidativo , mediado por peroxidasa , entre residuos de tirosina . [ 1 ] Al igual que otras proteínas elastoméricas, el grado de entrecruzamiento en la resilina es bajo, lo que garantiza una baja rigidez y una alta resiliencia. Los péptidos entrecruzados codificados por el exón 1 tienen una resiliencia superior al 93%, mientras que los codificados por el exón 3 tienen una resiliencia del 86%. Además, la resilina natural tiene una resiliencia del 92%, similar a la del exón 1, lo que sugiere nuevamente que el exón 1 puede desempeñar un papel más importante en la propiedad elástica de la resilina. [ 4 ]

Residuos de tirosina en resilina

Andersen, en 1996, descubrió que los residuos de tirosina participan en enlaces cruzados covalentes químicos en diversas formas, como ditirosina , tritirosina y tetratirosina. [ 8 ] Principalmente, en la resilina, la tirosina y la ditirosina actuaron como enlaces cruzados químicos , en los que los grupos R de la tirosina y la ditirosina se unen a la cadena principal del péptido en crecimiento . [ 1 ] Andersen llegó a esta conclusión basándose en un estudio con estos dos compuestos, en el que pudo descartar otras formas de entrecruzamiento, como puentes disulfuro, grupos éster y enlaces amida. [ 1 ] Si bien se comprende el mecanismo de entrecruzamiento de la tirosina, que ocurre mediante iniciación radicalaria, el entrecruzamiento de la resilina sigue siendo un misterio. El entrecruzamiento de la resilina ocurre muy rápidamente, posiblemente debido a la temperatura. Al aumentar la temperatura, la velocidad de entrecruzamiento de los residuos se incrementa, dando lugar a una red de resilina altamente entrecruzada. [ 1 ]

La composición de aminoácidos de la resilina indica que la prolina y la glicina tienen una presencia relativamente alta en su composición. La presencia de glicina y prolina en la composición de la resilina contribuye en gran medida a su elasticidad. [ 9 ] Sin embargo, la resilina carece de una hélice alfa, lo que da lugar a una estructura aleatoriamente enrollada y desordenada. [ 10 ] Esto se debe principalmente al contenido significativamente alto de prolina en la resilina. La prolina es un aminoácido voluminoso que puede provocar una torsión en la cadena peptídica y, debido a las cadenas laterales con impedimento estérico, no puede encajar en las hélices alfa. No obstante, los segmentos de la resilina pueden adoptar formas de estructura secundaria en diferentes condiciones.

Propiedades

Al igual que otros biomateriales, la resilina es un hidrogel , lo que significa que está hinchada con agua. El contenido de agua de la resilina a pH neutro es del 50-60%, y la ausencia de esta agua marcará una gran diferencia en las propiedades del material: mientras que la resilina hidratada se comporta como un caucho, la resilina deshidratada tiene las propiedades de un polímero vítreo. [ 1 ] Sin embargo, la resilina deshidratada puede volver a su estado gomoso si hay agua disponible. El agua actúa como plastificante en la red de resilina al aumentar la cantidad de enlaces de hidrógeno. [ 4 ] La alta concentración de prolina y glicina, hélices de poliprolina y porciones hidrofílicas contribuyen a aumentar el contenido de agua en la red proteica de la resilina. El aumento de los enlaces de hidrógeno conduce a un aumento en la movilidad de la cadena, por lo que disminuye la temperatura de transición vítrea . Cuanto mayor sea el contenido de agua en la red de resilina, menos rígido y más resiliente será el material. La resilina deshidratada se comporta como un polímero vítreo con baja rigidez, deformación y resiliencia, pero un módulo compresible y una temperatura de transición vítrea relativamente altos. [ 1 ]

Las proteínas similares al caucho, como la resilina y la elastina, se caracterizan por su alta resiliencia , baja rigidez y gran deformación . [ 11 ] Una alta resiliencia indica que se puede almacenar una cantidad suficiente de energía en el material y liberarla posteriormente. Un ejemplo de entrada de energía es estirar el material. La resilina natural (hidratada) tiene una resiliencia del 92%, lo que significa que puede almacenar el 92% de la energía de entrada para liberarla durante la descarga, lo que indica una transferencia de energía muy eficiente. Para una mejor comprensión de la rigidez y la deformación de la resilina, se debe tener en cuenta la ley de Hooke . Para los resortes lineales, la ley de Hooke establece que la fuerza necesaria para deformar el resorte es directamente proporcional a la cantidad de deformación por una constante que es la característica del resorte. Un material se considera elástico cuando se puede deformar en gran medida con una cantidad limitada de fuerza. La resilina hidratada tiene un módulo de tracción de 640–2000 kPa, un módulo de compresión sin confinamiento de 600–700 kPa y una deformación hasta la rotura del 300 %. [ 4 ]

Aunque no se han obtenido datos reales sobre la vida útil de la resilina, podemos inferirlo intuitivamente. Si consideramos el caso de las abejas, que viven aproximadamente 8 semanas volando 8 horas al día y batiendo sus alas a 720 000 ciclos/h, es probable que lo hagan más de 300  millones de veces [9]. Dado que la resilina funciona durante toda la vida de los insectos, su vida útil debería ser considerablemente larga. Sin embargo, en los insectos vivos, la resilina molecular se produce y se reemplaza constantemente, lo que introduce un error en nuestra conclusión.

resilina recombinante

Estudios iniciales

Debido a la notable elasticidad del caucho de la resilina, los científicos comenzaron a explorar versiones recombinantes para diversas aplicaciones materiales y médicas. Con el auge de las tecnologías de ADN , este campo de investigación ha experimentado un rápido aumento en la síntesis de polímeros proteicos biosintéticos que pueden ajustarse para tener ciertas propiedades mecánicas. Por lo tanto, este campo de investigación es bastante prometedor y puede proporcionar nuevos métodos para tratar enfermedades y trastornos que afectan a la población. La resilina recombinante se estudió por primera vez en 2005 cuando se expresó en Escherichia coli a partir del primer exón de Drosophila melanogaster.gen CG15920. [ 12 ] Durante su estudio, se sintetizó resilina pura en un hidrogel con un 20 % de masa proteica y se reticuló con tirosina catalizada por rutenio en presencia de luz ultravioleta. [ 12 ] Esta reacción produjo el producto, resilina recombinante (rec1-Resilin). [ 12 ]

Uno de los aspectos más importantes de la síntesis exitosa de rec1-Resilin es que sus propiedades mecánicas coincidan con las de la resilina original (resilina nativa). En el estudio mencionado anteriormente, se utilizaron microscopía de sonda de barrido (SPM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) para investigar las propiedades mecánicas de rec1-Resilin y resilina nativa. [ 1 ] Los resultados de estas pruebas revelaron que la resiliencia de la resilina recombinante y nativa era relativamente similar, pero puede diferir en sus aplicaciones. [ 1 ] En este estudio, rec1-Resilin se pudo colocar en un andamio polimérico para imitar la matriz extracelular con el fin de generar respuestas celulares y tisulares. Aunque este campo de investigación aún está en desarrollo, ha generado un gran interés en la comunidad científica y actualmente se está investigando para diversas aplicaciones biomédicas en áreas de regeneración y reparación de tejidos.

Fluorescencia de resilina recombinante

Una propiedad única de la resilina rec1 es su capacidad de ser identificada debido a la autofluorescencia. La fluorescencia de la resilina proviene principalmente de la ditirosina, que es el resultado de enlaces cruzados de residuos de tirosina. Cuando la luz ultravioleta irradia una muestra de resilina rec1 con emisiones de 315  nm a 409  nm, la resilina rec1 comienza a mostrar fluorescencia azul. [ 12 ] Un ejemplo de la fluorescencia azul que exhiben los residuos de ditirosina en la resilina se muestra en la figura de una pulga a continuación.

Imagen de CSIRO de una pulga con detalle que muestra la almohadilla de resilina.

Resiliencia

Otra propiedad única de la resilina es su alta resiliencia. La resilina recombinante demostró excelentes propiedades mecánicas similares a las de la resilina pura. Elvin et al. se propusieron comparar la resiliencia de la resilina-rec1 con otros cauchos, utilizando un microscopio de sonda de barrido . Este estudio comparó la resiliencia de la resilina-rec1 con dos tipos diferentes de caucho: caucho de clorobutilo y caucho de polibutadieno, ambos con altas propiedades de resiliencia. [ 12 ] Este estudio concluyó que la resilina-rec1 era un 92 % resiliente en comparación con el caucho de clorobutilo (56 %) y el caucho de polibutadieno (80 %), respectivamente. [ 12 ] Con una resiliencia mecánica tan alta , las propiedades de la resilina-rec1 pueden aplicarse a otras aplicaciones clínicas dentro del campo de la ingeniería de materiales y la medicina. Este estudio sobre la resilina recombinante ha dado lugar a varios años de investigación sobre el uso de proteínas similares a la resilina para diversas aplicaciones biomédicas que conservan las propiedades mecánicas de la resilina. Los resultados en curso de los estudios que involucran resilina recombinante pueden dar lugar a nuevas investigaciones en las que se puedan estudiar otras propiedades mecánicas y la estructura química de la resilina que aún no se han explorado.

Aplicaciones clínicas

Se han estudiado las resilinas recombinantes para su posible aplicación en los campos de la ingeniería biomédica y la medicina. En particular, los hidrogeles compuestos de resilinas recombinantes se han utilizado como andamios de ingeniería de tejidos para tejidos mecánicamente activos, incluidos los tejidos cardiovasculares, cartilaginosos y de las cuerdas vocales. Los primeros trabajos se han centrado en optimizar las propiedades mecánicas, la química y la citocompatibilidad de estos materiales, pero también se han realizado algunas pruebas in vivo de hidrogeles de resilina. [ 13 ] Investigadores de la Universidad de Delaware y la Universidad de Purdue han desarrollado métodos para crear hidrogeles elásticos compuestos de resilina que eran compatibles con células madre y mostraban una elasticidad similar a la del caucho de la resilina natural. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] También se han descrito hidrogeles semisintéticos basados ​​en resilina, que incorporan poli(etilenglicoles) . [ 18 ]

Véase también

  • elastina : una proteína de los vertebrados

Referencias

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  • "El proyecto Resilin alcanza un rendimiento cercano al 98%" (PDF) . CSIRO.
  • Resumen de la Universidad del Sur de Australia
  • Torkel Weis-Fogh: Artículos científicos y correspondencia
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