Resilina

La resina es una proteína elastomérica que se encuentra en muchos insectos y otros artrópodos. Proporciona elasticidad de goma blanda a los órganos y tejidos mecánicamente activos; por ejemplo, permite que insectos de muchas especies salten o giren sus alas de manera eficiente. La resina fue descubierta por primera vez por Torkel Weis-Fogh en bisagras de alas de langosta.

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Golpe de los maxilípedos del cangrejo de río Pacifastacus leniusculus capturado a una velocidad de fotogramas de 1000 Hz
Pro-resilina
Identificadores
OrganismoDrosophila melanogaster
Símboloresiliente
Alt. simbolosCG15920
UniProtQ9V7U0
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EstructurasModelo suizo
DominiosInterPro

La resina 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 la langosta es del 97% (solo el 3% de la energía almacenada se pierde en forma de calor). No tiene ninguna estructura regular pero sus cadenas enrolladas al azar se reticula por di- y tri tirosina enlaces del espaciamiento derecho de conferir la elasticidad necesaria para propulsar un cierto salto insectos distancias de hasta 38 veces su longitud (como se encuentra en las pulgas). La resina 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 asegura el rendimiento durante la vida del insecto. La resina muestra 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 expresando una parte del gen de la mosca en la bacteria Escherichia coli . Los estudios activos están investigando la aplicación potencial de resilinas recombinantes en ingeniería biomédica y medicina.

Después de su descubrimiento en los tendones elásticos de las libélulas y las bisagras de las alas en las langostas , se ha encontrado resilina en muchas estructuras y órganos de los artrópodos . [1] La resina se encuentra a menudo como un compuesto con quitina en la cutícula de los insectos , donde la quitina sirve como componente estructural. La resina proporciona elasticidad y posiblemente otras propiedades. Se descubrió en la bomba de saliva de los insectos asesinos , en las bombas de alimentación de rhodnius prolixus , moscas tsetsé , insectos reduvidos y abejas melíferas , y en el mecanismo que proporciona resistencia para la bomba dispensadora de veneno de las abejas melíferas. La resina también se encontró en los órganos de producción de sonido de los artrópodos, como la familia Cicadae y la familia Pyralidae , donde tanto la alta elasticidad como la alta resiliencia de la resilina juegan un papel importante debido a los rápidos ciclos de liberación de estrés de los timbales . Además de estas estructuras, la resilina existe más ampliamente en los sistemas de locomoción de los artrópodos. Se descubrió en las bisagras del ala para permitir la recuperación de la deformación de los elementos del ala y para amortiguar las fuerzas aerodinámicas que siente el ala; en sistemas ambulatorios de cucarachas y moscas para facilitar la rápida deformación articular; en el mecanismo de salto, la resilina almacena energía cinética con gran eficiencia y se libera al descargar. También se encuentra en las cutículas que rodean las regiones del abdomen de las hormigas y abejas, que se expanden y se hinchan en gran medida durante el proceso de alimentación y reproducción. [1]

Constituyentes de aminoácidos

Composición de aminoácidos de la resilina

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

Secuencia de proteínas

Se identificó que la resilina era un producto del gen CG15920 de Drosophila melanogaster debido a las similitudes entre las composiciones de aminoácidos de la resilina y el producto génico. [3] El gen de Drosophila melanogaster está compuesto por 4 exones , que codifican para 4 segmentos funcionales en CG15920: péptido señal y 3 péptidos codificados por los exones 1, 2 y 3. [4] El péptido señal guía a la pro-resilina al espacio extracelular , donde las proteínas resilinas se agregan y entrecruzan para formar una red, y luego se separan de los péptidos, de modo que la resilina naciente se convierte en resilina madura. Desde el N-terminal, 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 de Rebers-Riddiford (RR) de unión a quitina ( Pfam PF00379 ); El péptido codificado por el exón 3 está dominado por 11 copias de una secuencia repetida de 13 residuos (GYSGGRPGGQDLG). Mientras glicina enriquecido y prolina en el exón 1 y 3 presentan estructuras cíclicas en la proteína, los residuos de tirosina son capaces de formar di- y tri- tirosina enlaces cruzados entre proteínas.

Estructura secundaria

El mecanismo de acción de la resiliencia

La resilina es una proteína desordenada; sin embargo, sus segmentos pueden asumir estructuras secundarias en diferentes condiciones. Se descubre que la secuencia de péptidos codificada por el exón 1 presenta una forma no estructurada y no puede cristalizarse, lo que permite que el segmento de la secuencia de péptidos sea muy suave y muy flexible. El péptido codificado por el exón 3 adquiere la forma no estructurada antes de la carga, pero se transforma en una estructura de giro beta ordenada una vez que se aplica el estrés. Mientras tanto, el segmento codificado por el exón 2 sirve como dominio de unión a quitina. [4] Se propone que a medida que se aplica estrés o hay entrada de energía, el péptido codificado por el exón 1 responde inmediatamente debido a su alta flexibilidad. Una vez que esto ocurre, la energía pasa 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 que se elimina el estrés o la energía, el segmento codificado del exón 3 invierte la transformación estructural y envía la energía al segmento codificado del exón 1. [4]

Otra estructura secundaria que pueden adoptar los péptidos correspondientes al exón 1 y al exón 3 es la hélice de poliprolina (PPII), indicada por la alta presencia de prolina y glicina en estos 2 segmentos. La estructura de PPII existe ampliamente en proteínas elastoméricas, como abductina , elastina y titina . [5] Se cree que contribuye al proceso de autoensamblaje y la elasticidad de la proteína. [4] Se propone que el mecanismo elástico de la resilina esté relacionado con la entropía . En estado relajado, el péptido se pliega y posee una gran entropía, pero una vez que se estira, la entropía disminuye a medida que se despliega el péptido. La coexistencia de PPII y beta-turn juega un papel importante en el aumento de la entropía a medida que la resilina vuelve a su forma desordenada. [6] La otra función del PPII es facilitar el proceso de autoensamblaje: se encuentra que el PPII cuasi extendido es capaz de interactuar a través de una reacción intermolecular e iniciar la formación de una estructura fibrilar supramolecular. [6]

Estructura jerarquica

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 hidrófilo y está más extendido cuando se sumerge en agua. [7] En contraste, el péptido codificado por el exón 3 contiene bloques hidrofóbicos e hidrofílicos, lo que sugiere la formación de micelas, donde el bloque hidrofóbico se agrupará en el interior con la porción hidrofílica que lo rodea. [7] Por lo tanto, una única proteína resilina completa, cuando se sumerge en agua, adquiere la estructura en la que el segmento codificado por el exón 1 se extiende desde las formas peptídicas codificadas por el exón 3 de la micela. [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, la reticulación de di- o tri-tirosina se forma por acoplamiento oxidativo , mediado por peroxidasa , entre residuos de tirosina . [1] Al igual que otras proteínas elastoméricas, el grado de reticulación en la resilina es bajo, lo que asegura una baja rigidez y una alta resiliencia. Los péptidos reticulados 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 están implicados en enlaces cruzados químicamente covalentes en muchas formas, como ditirosina, tritirosina y tetratirosina. [8] Principalmente, en la resilina, la tirosina y la ditirosina sirvieron como enlaces cruzados químicos , en los que los grupos R de tirosina y ditirosina se agregan a la columna vertebral de la cadena de péptidos en crecimiento . [1] Andersen llegó a esta conclusión basándose en un estudio que involucró a estos dos compuestos en el que pudo descartar otras formas de entrecruzamiento, como puentes disulfuro, grupos éster y enlaces amida. [1] Aunque se entiende que el mecanismo de entrecruzamiento de la tirosina se produce a través de la iniciación radical, el entrecruzamiento de la resilina sigue siendo un misterio. La reticulación de la resilina se produce muy rápidamente y esto posiblemente se deba a la temperatura. Al aumentar la temperatura, la tasa de reticulación de los residuos aumenta y conduce a una red de resilina altamente reticulada. [1]

La composición de aminoácidos de la resilina indica que la prolina y la glicina tienen una presencia relativamente alta en la composición de aminoácidos de la resilina. La presencia de glicina y prolina en la composición de la resilina contribuye en gran medida a la elasticidad de la resilina. [9] La resina, sin embargo, tiene una ausencia de una hélice alfa que conduce a una estructura enrollada al azar y una estructura desordenada. [10] Esto se debe principalmente al contenido significativamente alto de prolina en la resilina. La prolina es un aminoácido voluminoso que tiene la capacidad de provocar una torsión en la cadena peptídica y, debido a las cadenas laterales con impedimentos estéricos, no puede encajar en las hélices alfa. Sin embargo, los segmentos de resilina pueden adoptar formas de estructura secundaria en diferentes condiciones.

Como otros biomateriales, la resilina es un hidrogel , lo que significa que se hincha 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 una goma, 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 aumentando la cantidad de enlaces de hidrógeno. [4] La alta concentración de prolina y glicina, hélices de poliprolina y porciones hidrófilas sirven para aumentar el contenido de agua en la red de proteínas resilinas. El aumento de los enlaces de hidrógeno conduce a un aumento de la movilidad de la cadena, por lo que disminuye la temperatura de transición vítrea . Cuanto más contenido de agua haya en la red de resiliencia, menos rígidos y más resilientes serán los materiales. La resilina deshidratada se comporta como un polímero de vidrio con baja rigidez, deformación y resiliencia, pero un módulo de compresión 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 tensión . [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 entrada de energía para su liberación durante la descarga, lo que indica una transferencia de energía muy eficiente. Para comprender mejor la rigidez y la tensión de la elasticidad, se debe tener en cuenta la Ley de Hooke. Para resortes lineales, la ley de Hooke establece que la fuerza requerida 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 no confinado de 600-700 kPa y una deformación para romperse del 300%. [4]

Tabla 1: Propiedades de la resina hidratada y deshidratada
Propiedades Resilina hidratada Resilina deshidratada
Modulos elasticos 588 kPa [1]-
Módulo de compresión 600-700 kPa [4]10.200 ± 2% kPa [4]
Módulo de tracción 640-2000 kPa [4]-
Fuerza de Tensión 4MPa [4]-
Esfuerzo máximo 300% [4]-
Resiliencia 92% [4]-
T g °<37 ℃ [4]> 180 ℃ [4]

Aunque no se han obtenido datos reales sobre la vida útil de la resistencia a la fatiga, podemos pensar en esto de forma intuitiva. Si consideramos el caso de las abejas melíferas, donde viven alrededor de 8 semanas durante las cuales vuelan 8 horas al día, batiendo 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 útil de los insectos, su vida útil por fatiga debería ser considerablemente mayor. Sin embargo, en insectos vivos, la resilina molecular se puede producir y reemplazar constantemente, lo que introduce un error en nuestra conclusión.

Estudios iniciales

Debido a la notable elasticidad del caucho de la resilina, los científicos comenzaron a explorar versiones recombinantes para una variedad de materiales y aplicaciones médicas. Con el aumento de las tecnologías de ADN , este campo de investigación ha experimentado un rápido aumento en la síntesis de polímeros de proteínas biosintéticas que pueden ajustarse para tener ciertas propiedades mecánicas. Por tanto, este campo de investigación es bastante prometedor y puede aportar nuevos métodos para el tratamiento de enfermedades y trastornos que afectan a la población. La resilina recombinante se estudió por primera vez en 2005 cuando se expresó en Escherichia co li del primer exón del gen CG15920 de Drosophila Melanogaster . [12] Durante su estudio, la resilina pura se sintetizó en un hidrogel de masa de proteína al 20% 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 coinciden con las de la resilina original (resilina nativa). En el estudio indicado 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 tanto de la resilina recombinante como de la nativa eran relativamente similares, pero pueden diferir en sus aplicaciones. [1] En este estudio, rec1-Resilin podría colocarse en un andamio polimérico para imitar la matriz extracelular con el fin de generar una respuesta celular y tisular. Aunque este campo de investigación aún está en curso, ha generado un gran interés en la comunidad científica y actualmente se está investigando para una variedad de aplicaciones biomédicas en áreas de regeneración y reparación de tejidos.

Fluorescencia de resilina recombinante

Una propiedad única de rec1-Resilin es su capacidad para identificarse debido a la autofluorescencia. La fluorescencia de la resilina proviene principalmente de la ditirosina, que son el resultado de las reticulaciones de los residuos de tirosina. Cuando la luz ultravioleta irradia una muestra de rec1-Resilin a emisiones de 315 nm a 409 nm, el rec1-Resilin comienza a mostrar fluorescencia azul. [12] Un ejemplo de la fluorescencia azul exhibida por los residuos de ditirosina en la resilina se muestra en la siguiente figura de una pulga.

CSIRO Imagen de una pulga con detalle que muestra la almohadilla resiliente

Resiliencia

Otra propiedad única de la resilina es su alta capacidad de recuperación. La resilina recombinante demostró excelentes propiedades mecánicas similares a las de la resilina pura. Elvin y col. tenía como objetivo comparar la resiliencia de rec1-Resilin con otros cauchos, un microscopio de sonda de barrido usado. Este estudio comparó la resiliencia de rec1-Resilin con dos tipos diferentes de caucho: caucho de clorobutilo y caucho de polibutadieno, ambos cauchos con propiedades de alta resiliencia. [12] Este estudio concluyó que rec1-Resilin era resistente al 92% en comparación con el caucho de clorobutilo al 56% y el caucho de polibutadieno al 80%, respectivamente. [12] Con una resistencia mecánica tan alta , las propiedades de rec1-Resilin se pueden aplicar a otras aplicaciones clínicas dentro del campo de la ingeniería de materiales y la medicina. Este estudio sobre la resilina recombinante ha llevado a varios años de investigación sobre el uso de proteínas similares a la resilina para varias aplicaciones biomédicas que retienen las propiedades mecánicas de la resilina. Los resultados en curso de los estudios que involucran resilina recombinante pueden conducir a más investigaciones en las que se puedan investigar otras propiedades mecánicas inexploradas y la estructura química de la resilina.

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, de cartílago y de cuerdas vocales. El trabajo inicial se ha 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 las células madre y mostraban una elasticidad de caucho similar a la de la resilina natural. [14] [15] [16] [17] También se ha informado de hidrogeles semisintéticos a base de resilina, que incorporan poli (etilenglicoles) . [18]

  • elastina : una proteína de vertebrados

  1. ↑ a b c d e f g h i j k l Deming T (2012). Materiales a base de péptidos . Springer Publishing.
  2. ^ Neurath H (1966). Composición, estructura y función de las proteínas . Academic Press Inc.
  3. ^ Ardell DH, Andersen SO (septiembre de 2001). "Identificación tentativa de un gen resilina en Drosophila melanogaster". Bioquímica y Biología Molecular de Insectos . 31 (10): 965–70. CiteSeerX  10.1.1.20.4948 . doi : 10.1016 / s0965-1748 (01) 00044-3 . PMID  11483432 .
  4. ^ a b c d e f g h i j k l m n o Su RS, Kim Y, Liu JC (abril de 2014). "Resilina: biomateriales elastoméricos a base de proteínas". Acta Biomaterialia . Materiales biológicos. 10 (4): 1601-11. doi : 10.1016 / j.actbio.2013.06.038 . PMID  23831198 .
  5. ^ Adzhubei AA, Sternberg MJ, Makarov AA (junio de 2013). "Hélice de poliprolina-II en proteínas: estructura y función". Revista de Biología Molecular . 425 (12): 2100–32. doi : 10.1016 / j.jmb.2013.03.018 . PMID  23507311 .
  6. ^ a b Bochicchio B, Tamburro AM (noviembre de 2002). "Estructura de la poliprolina II en proteínas: identificación por espectroscopias quiropticas, estabilidad y funciones". Quiralidad . 14 (10): 782–92. doi : 10.1002 / chir.10153 . PMID  12395395 .
  7. ^ a b c Qin G, Hu X, Cebe P, Kaplan DL (14 de agosto de 2012). "Mecanismo de elasticidad resilina" . Comunicaciones de la naturaleza . 3 : 1003. Código Bibliográfico : 2012NatCo ... 3.1003Q . doi : 10.1038 / ncomms2004 . PMC  3527747 . PMID  22893127 .
  8. ^ Neville A (1975). Biología de la cutícula de artrópodos . Berlín: Springer Publishing. ISBN 978-3-642-80912-5.
  9. ^ Cheng S, Cetinkaya M, Gräter F (diciembre de 2010). "Cómo la secuencia determina la elasticidad de las proteínas desordenadas" . Revista biofísica . 99 (12): 3863–9. Código bibliográfico : 2010BpJ .... 99.3863C . doi : 10.1016 / j.bpj.2010.10.011 . PMC  3000487 . PMID  21156127 .
  10. ^ Connon C, Hamley I (marzo de 2014). Hidrogeles en terapias basadas en células . La Real Sociedad de Química. doi : 10.1039 / 9781782622055 . ISBN 978-1-84973-798-2.
  11. ^ Gosline J, Lillie M, Carrington E, Guerette P, Ortlepp C, Savage K (febrero de 2002). "Proteínas elásticas: roles biológicos y propiedades mecánicas" . Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres. Serie B, Ciencias Biológicas . 357 (1418): 121–32. doi : 10.1098 / rstb.2001.1022 . PMC  1692928 . PMID  11911769 .
  12. ^ a b c d e f Elvin CM, Carr AG, Huson MG, Maxwell JM, Pearson RD, Vuocolo T, et al. (Octubre de 2005). "Síntesis y propiedades de pro-resilina recombinante reticulada". Naturaleza . 437 (7061): 999–1002. Código Bibliográfico : 2005Natur.437..999E . doi : 10.1038 / nature04085 . PMID  16222249 . S2CID  4411986 .
  13. ^ Li L, Mahara A, Tong Z, Levenson EA, McGann CL, Jia X, et al. (Enero de 2016). "Bioelastómeros a base de resina recombinante para aplicaciones de medicina regenerativa" . Materiales avanzados para el cuidado de la salud . 5 (2): 266–75. doi : 10.1002 / adhm.201500411 . PMC  4754112 . PMID  26632334 .
  14. ^ Kim Y, Gill EE, Liu JC (agosto de 2016). "Reticulación enzimática de proteínas basadas en resilina para aplicaciones de ingeniería de tejidos vasculares". Biomacromoléculas . 17 (8): 2530–9. doi : 10.1021 / acs.biomac.6b00500 . PMID  27400383 .
  15. ^ McGann CL, Levenson EA, Kiick KL (enero de 2013). "Hidrogeles híbridos a base de resina para la ingeniería de tejidos cardiovasculares" . Macromoléculas . 214 (2): 203–213. doi : 10.1002 / macp.201200412 . PMC  3744378 . PMID  23956463 .
  16. ^ Tjin MS, Low P, Fong E (1 de agosto de 2014). "Biopolímeros de proteínas elastoméricas recombinantes: avances y perspectivas" . Diario de polímero . 46 (8): 444–451. doi : 10.1038 / pj.2014.65 . ISSN  0032-3896 .
  17. ^ Li L, Teller S, Clifton RJ, Jia X, Kiick KL (junio de 2011). "Estabilidad mecánica ajustable y respuesta a la deformación de un elastómero a base de resilina" . Biomacromoléculas . 12 (6): 2302–10. doi : 10.1021 / bm200373p . PMC  3139215 . PMID  21553895 .
  18. ^ McGann CL, Akins RE, Kiick KL (enero de 2016). "Los hidrogeles híbridos de resina-PEG producen andamios elastoméricos degradables con microestructura heterogénea" . Biomacromoléculas . 17 (1): 128–40. doi : 10.1021 / acs.biomac.5b01255 . PMC  4850080 . PMID  26646060 .

  • "Los relojes del proyecto Resilin son casi perfectos en un 98%" (PDF) . CSIRO.
  • Resumen de la Universidad de Australia del Sur
  • Torkel Weis-Fogh: artículos científicos y correspondencia