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(Noticias de Nanowerk) Los científicos de Rutgers han desarrollado un conjunto de herramientas analíticas para medir las fuerzas de unión de proteínas individuales cuando se eliminan de su sustrato, como una enzima, que respaldan el desarrollo de nuevos nanomateriales, mejoran la producción de biocombustibles y el ciclo global del carbono, e identifican nuevos. y mejores objetivos farmacológicos, según un nuevo estudio.
El estudio, publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias («La espectroscopia de fuerza acústica revela diferencias sutiles en el comportamiento de no unión a celulosa de los módulos de unión a carbohidratos») 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, y también sirve como recurso renovable para fabricar 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 aún tienen una comprensión limitada de cómo los microorganismos, como las bacterias, descomponen la celulosa al anclarse primero o «adherirse» a la superficie del sustrato con proteínas y enzimas que se unen a los carbohidratos.
Según los investigadores de Rutgers, para desarrollar 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 adhieren a los sustratos. , para desarrollar mejores enzimas de «pegajosidad» óptima que pueden maximizar la degradación 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 hospedadoras de patógenos y la producción de biocombustibles», dijo Shishir Chundawat, autor principal del estudio y profesor asociado 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 del investigador para estudiar cómo las proteínas se adhieren a las superficies de celulosa con precisión molecular y proporciona 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 individuales de moléculas de carbohidratos y proteínas y las fuerzas relevantes con una precisión de 1 billonésima de newton. Un Newton es equivalente a la cantidad mínima de fuerza que a menudo se requiere para desalojar 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 alteró la «pegajosidad» de la superficie de las proteínas modificadas, medida con este nuevo conjunto de herramientas, para mejorar la actividad de degradación de la celulosa. Los resultados del kit de herramientas fueron consistentes con otros experimentos y simulaciones realizadas para dilucidar aún más las reglas moleculares subyacentes responsables de la adherencia de las proteínas CBM a las superficies de celulosa.
«Cuando ciertos CBM pueden adherirse a los carbohidratos en orientaciones estructurales específicas, lo que mejora la función enzimática, los métodos convencionales no pueden distinguir una orientación de unión específica de la otra, lo que se requiere para ajustar la adherencia de la proteína a las superficies», dijo Markus Hackl, primer autor del estudio que guió el desarrollo del conjunto de herramientas y estudiante de posgrado en la División de Ingeniería Química y Bioquímica de Rutgers. «Sin embargo, nuestro método puede detectar estas sutiles diferencias en la adherencia de las proteínas al detectar y medir la señal de la interacción de una sola molécula de proteína con la celulosa».
Tal conjunto de herramientas puede ayudar a los científicos a estudiar y refinar las interacciones moleculares pegajosas entre las proteínas y los carbohidratos, contribuyendo en última instancia al desarrollo de medicamentos basados en proteínas mejor dirigidos para mejorar la atención médica, o enzimas eficientes de grado industrial para la producción de biocombustibles a bajo costo.
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