Científicos de la Universidad de Rutgers han desarrollado un conjunto de herramientas analíticas para medir las fuerzas de unión de proteínas individuales cuando se separan de su sustrato, como una enzima, que ayudará al desarrollo de nuevos nanomateriales, mejorará la producción de biocombustibles y el ciclo global del carbono, e identificará nuevos y mejores objetivos farmacológicos, según un nuevo estudio.

El estudio, publicado en la Actas de la Academia Nacional de Ciencias, examina las interacciones moleculares entre una proteína del módulo de unión a carbohidratos (CBM) y su sustrato de unión, la celulosa. La celulosa, un tipo de polímero de fibra vegetal hecho de azúcares de glucosa repetitivos, se puede utilizar para fabricar textiles, celofán, cartón y papel, además de servir como materia prima renovable para producir biocombustibles y productos bioquímicos.

La celulosa es el compuesto orgánico más abundante en la Tierra que los microorganismos descomponen naturalmente y, por lo tanto, desempeña un papel central en el ciclo global del carbono. Sin embargo, los científicos todavía tienen una comprensión limitada de cómo los microorganismos como las bacterias descomponen la celulosa al anclarse primero o "pegarse" a la superficie del sustrato utilizando proteínas y enzimas que se unen a los carbohidratos.

Según los investigadores, para diseñar enzimas y microbios más eficientes que descompongan la celulosa en azúcares para la producción de biocombustibles como etanol, biodiésel, diésel verde o biogás, es necesario comprender mejor cómo las proteínas que se unen a los carbohidratos se anclan a los sustratos para diseñar mejores enzimas con un rendimiento óptimo. “pegajosidad” que puede maximizar la descomposición de la celulosa por parte de los microbios.

"La unión de proteínas y enzimas a carbohidratos complejos en la interfaz sólido-líquido es un fenómeno biológico fundamentalmente importante relevante para el crecimiento de las plantas, las infecciones de células huésped de patógenos y la producción de biocombustibles", dijo Shishir Chundawat, autor principal del estudio y asociado. profesor en el Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica de Rutgers. “Pero tales procesos de unión interfacial no se comprenden bien debido a la falta de herramientas analíticas para observar estas interacciones moleculares sutiles y de corta duración entre proteínas y carbohidratos como la celulosa”.

La metodología describe la técnica analítica de los investigadores para examinar cómo las proteínas se adhieren a las superficies de celulosa con precisión a nivel molecular, proporcionando información sobre los complejos mecanismos empleados por las enzimas microbianas durante la descomposición de la celulosa.

Chundawat dijo que el conjunto de herramientas desarrollado en Rutgers puede medir los contactos de una sola molécula de proteína-carbohidrato y las fuerzas relevantes involucradas con una precisión de 1 billonésima de newton. Un newton equivale a la fuerza mínima que a menudo se requiere para despegar un lagarto gecko anclado a una pared o superficie.

El equipo de investigación estudió una proteína CBM que permite que las células bacterianas se adhieran firmemente a las superficies de celulosa como un gecko y cambió la "pegajosidad" de la superficie de las proteínas modificadas, medida con este nuevo conjunto de herramientas para mejorar la actividad de descomposición de la celulosa. Los hallazgos del kit de herramientas coincidieron con otros experimentos y simulaciones realizadas para explicar mejor las reglas moleculares subyacentes que son responsables de la adherencia de la proteína CBM a las superficies de celulosa.

"Si los CBM particulares pueden adherirse a los carbohidratos en orientaciones estructurales específicas que mejoran la función enzimática, los métodos tradicionales no pueden diferenciar una orientación de unión específica de la otra necesaria para ajustar la adherencia de las proteínas a las superficies", dijo Markus Hackl, primer autor de el estudio que dirigió el desarrollo del conjunto de herramientas y un candidato a doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica de Rutgers. “Sin embargo, nuestro método puede detectar esas sutiles diferencias en la adherencia de las proteínas al detectar y medir la señal de una interacción de una sola molécula de proteína con celulosa."

Un conjunto de herramientas de este tipo puede ayudar a los científicos a estudiar y afinar las interacciones moleculares pegajosas entre las proteínas y los carbohidratos que, en última instancia, ayudan en el desarrollo de fármacos basados ​​en proteínas mejor orientados para mejorar la atención médica o enzimas de grado industrial eficientes para la producción de biocombustibles de bajo costo.

Otros coautores de Rutgers en el estudio incluyen a Edward Contrada, Jonathan Ash, Atharv Kulkarni, Ki-Bum Lee, Jinho Yoon, Hyeon-Yeol Cho e investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (John Yarbrough) y el Laboratorio Nacional de Los Alamos (Cesar López y Sandrasegaram Gnanakaran).