Los químicos crean puntos cuánticos a temperatura ambiente utilizando proteínas diseñadas en el laboratorio

La naturaleza utiliza 20 aminoácidos canónicos como componentes básicos para fabricar proteínas, combinando sus secuencias para crear moléculas complejas que realizan funciones biológicas.

Pero, ¿qué pasa con las secuencias no seleccionadas por la naturaleza? ¿Y cuáles son las posibilidades de construir secuencias completamente nuevas para crear proteínas nuevas (de novo) que se parezcan poco a algo en la naturaleza?

Este es el campo en el que Michael Hecht, profesor de química, trabaja con su grupo de investigación. Recientemente, su curiosidad por diseñar sus propias secuencias ha dado sus frutos.

Descubrieron el primer conocido de novo (recién creado) proteína que cataliza (dirige) la síntesis de puntos cuánticos. Los puntos cuánticos son nanocristales fluorescentes que se utilizan en aplicaciones electrónicas, desde pantallas LED hasta paneles solares.

Su trabajo abre la puerta a la fabricación de nanomateriales de manera más sostenible al demostrar que las secuencias de proteínas que no se derivan de la naturaleza se pueden utilizar para sintetizar materiales funcionales, con importantes beneficios ambientales.

Los puntos cuánticos normalmente se fabrican en entornos industriales con altas temperaturas y disolventes tóxicos y caros, un proceso que no es ni económico ni respetuoso con el medio ambiente. Pero Hecht y su grupo de investigación llevaron a cabo el proceso en el laboratorio usando agua como solvente, creando un producto final estable a temperatura ambiente.

«Estamos interesados ​​en hacer moléculas vivas, proteínas, que no surgieron en la vida», dijo Hecht, quien dirigió la investigación con Greg Scholes, profesor de química William S. Tod y presidente del departamento. «En cierto modo, nos preguntamos si hay alternativas a la vida tal como la conocemos. Toda la vida en la Tierra proviene de un ancestro común. Pero si creamos moléculas realistas que no provienen de un ancestro común, ¿pueden hacer cosas interesantes?». Así que aquí estamos haciendo nuevas proteínas que nunca aparecieron en la vida al hacer cosas que no existen en la vida».

El proceso del equipo también puede ajustar el tamaño de las nanopartículas, lo que determina el color en el que los puntos cuánticos brillan o emiten fluorescencia. Esto brinda oportunidades para marcar moléculas dentro de un sistema biológico, como teñir células cancerosas in vivo.

«Los puntos cuánticos tienen propiedades ópticas muy interesantes debido a su tamaño», dijo Yueyu Yao, coautor del artículo y estudiante graduado de quinto año en el laboratorio de Hecht. «Son muy buenos para absorber la luz y convertirla en energía química– lo que los hace útiles para ser transformados en paneles solares o cualquier tipo de fotosensor.

«Pero, por otro lado, también son muy buenos para emitir luz en una cierta longitud de onda deseada, lo que los hace adecuados para fabricar pantallas LED».

Y debido a que son pequeños, compuestos por alrededor de 100 átomos y quizás 2 nanómetros de diámetro, pueden penetrar ciertas barreras biológicas, lo que hace que su utilidad en medicamentos e imágenes biológicas sea particularmente prometedora.

¿Por qué usar proteínas de novo?

«Creo que el uso de proteínas de novo allana el camino para el diseño», dijo Leah Spangler, autora principal de investigación y ex postdoctorado de Scholes Lab. «Una palabra clave para mí es ‘ingeniería’. Quiero poder diseñar proteínas para hacer algo específico, y este es un tipo de proteína con el que puedes hacerlo.

“Los puntos cuánticos que hacemos aún no son de alta calidad, pero esto se puede mejorar ajustando la síntesis”, agregó. «Podemos lograr una mejor calidad mediante la ingeniería de la proteína para influir en la formación de puntos cuánticos de diferentes maneras».

Basado en el trabajo realizado por el autor correspondiente Sarangan Chari, químico senior en el laboratorio de Hecht, el equipo usó una proteína de novo que diseñaron, llamada ConK, para catalizar la reacción. Los investigadores aislaron ConK por primera vez en 2016 a partir de una gran biblioteca de proteínas combinatorias. Todavía está compuesto de aminoácidos naturales, pero se le llama «de novo» porque su secuencia no tiene similitud con una proteína natural.

Los investigadores encontraron que ConK permitió la supervivencia de E. coli en concentraciones de cobre que de otro modo serían tóxicas, lo que sugiere que puede ser útil para la unión y el secuestro de metales. Los puntos cuánticos utilizados en esta investigación consisten en sulfuro de cadmio. Dado que el cadmio es un metal, los investigadores se preguntaron si ConK podría usarse para sintetizar puntos cuánticos.

Su intuición valió la pena. ConK descompone la cisteína, una de 20 aminoácidos, en varios productos, incluido el sulfuro de hidrógeno. Este actúa como fuente de azufre activo que luego reaccionará con el cadmio metálico. El resultado son puntos cuánticos CdS.

«Para hacer un punto cuántico de sulfuro de cadmio, necesita que la fuente de cadmio y la fuente de azufre reaccionen en solución», dijo Spangler. «Lo que hace la proteína es generar la fuente de azufre lentamente con el tiempo. Así que agregamos el cadmio inicialmente, pero la proteína genera el azufre, que luego reacciona para crear distintos tamaños de puntos cuánticos».

El estudio se publica en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.