El uso de polímeros sintéticos se expande y se ramifica. Desde la manufactura y embalajes para productos alimenticios, fármacos y químicos, electrodomésticos, herramientas, utensilios domésticos, componentes automotrices hasta en áreas de la ciencia y tecnología. Investigadores están explorando estos polímeros sintéticos, aún con cautela pero con optimismo, para reemplazar proteínas naturales del cuerpo.
A grandes rasgos hay dos tipos de polímeros: sintéticos y naturales. Los sintéticos se derivan del aceite de petróleo y son fabricados por científicos e ingenieros en los laboratorios. Como ejemplos están el nailon, polietileno, poliéster, teflón y epoxi. Los polímeros naturales se encuentran en la naturaleza y se pueden extraer. Suelen ser a base de agua. Es el caso de la seda, la lana, el ADN, la celulosa y las proteínas. Pero hay más.
La mayor parte de la vida en la Tierra se basa en polímeros de 20 aminoácidos que se han convertido en cientos de miles de proteínas diferentes altamente especializadas. Catalizan reacciones, forman la columna vertebral y los músculos e incluso generan movimiento. Pero, ¿es necesaria toda esa variedad? ¿Podría la biología funcionar igual de bien con menos bloques de construcción y polímeros más simples?
Ting Xu, científica de polímeros de la Universidad de California, Berkeley, cree que sí. Ha desarrollado una forma de imitar funciones específicas de las proteínas naturales usando solo dos, cuatro o seis bloques de construcción diferentes, los que se usan actualmente en los plásticos. Descubrió que estos polímeros alternativos funcionan tan bien como la proteína real y son mucho más fáciles de sintetizar que tratando de replicar el diseño de la naturaleza.
¿Los polímeros sintéticos mejorarán las proteínas naturales?
Como prueba de concepto, Xu utilizó su método de diseño. Se basa en el aprendizaje automático o la inteligencia artificial, para sintetizar polímeros que imitan el plasma sanguíneo. El fluido biológico artificial mantuvo intactos los biomarcadores de proteínas naturales sin refrigeración. E incluso hizo que las proteínas naturales fueran más resistentes a las altas temperaturas, una mejora con respecto al plasma sanguíneo real.
Los sustitutos de proteínas, o heteropolímeros aleatorios, podrían cambiar las reglas del juego para las aplicaciones biomédicas. Hoy en día se dedica mucho esfuerzo a modificar las proteínas naturales para que hagan cosas para las que no fueron diseñadas originalmente, o intentar recrear en 3D la estructura de las proteínas naturales. La administración de fármacos de pequeñas moléculas que imitan las proteínas humanas naturales es un campo de investigación candente.
En cambio, la IA podría elegir el número, el tipo y la disposición correctos de los bloques de construcción de plástico. Similares a los que se usan en los empastes dentales. Por ejemplo, para imitar la función deseada de una proteína, y se podría usar la química de polímeros simples para hacerlo.
En el caso del plasma sanguíneo, los polímeros sintéticos fueron diseñados para disolver y estabilizar biomarcadores de proteínas naturales en la sangre. Xu y su equipo también crearon una mezcla de polímeros sintéticos para reemplazar las entrañas de una célula, el llamado citosol. En un tubo de ensayo lleno de fluido biológico artificial, las nanomáquinas de la célula, los ribosomas, continuaron bombeando proteínas naturales. Como si no les importara si el fluido era natural o artificial.
“Engañamos a la biología”
«Todos los datos muestran que podemos usar este marco de diseño, esta filosofía, para generar polímeros sintéticos. Hasta el punto de que el sistema biológico no podría reconocer si es un polímero o si es una proteína», dijo Xu, profesora de química y de ciencia e ingeniería de materiales de UC Berkeley. “Básicamente engañamos a la biología. La idea general es que si realmente lo diseñas e inyectas tus plásticos como parte de un ecosistema, deberían comportarse como una proteína. Si las otras proteínas dicen: ‘Está bien, eres parte de nosotros’, entonces está bien», añadió
El marco de diseño también abre la puerta al diseño de sistemas biológicos híbridos. Allí los polímeros plásticos interactúan sin problemas con las proteínas naturales para mejorar un sistema, como la fotosíntesis. Y los polímeros podrían degradarse naturalmente, haciendo que el sistema sea reciclable y sostenible, revela el informe publicado en Berkeley News.
“Empiezas a pensar en un futuro completamente nuevo del plástico, en lugar de todos estos productos básicos”, señaló la científica en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Xu percibe el tejido vivo como una mezcla compleja de proteínas que evolucionaron para trabajar juntas de manera flexible. Prestando menos atención a la secuencia de aminoácidos real de cada proteína que a las subunidades funcionales de la proteína y los lugares donde interactúan. Al igual que en un mecanismo de cerradura y llave, donde no importa mucho si la llave es de aluminio o acero.
Y dado que estas mezclas de proteínas naturales evolucionaron al azar durante millones de años, debería ser posible crear mezclas similares al azar. Con un alfabeto diferente de bloques de construcción, si usa los principios correctos para diseñarlos. Liberando a los científicos de la necesidad de recrear las mezclas exactas de proteínas en el tejido vivo.
Complejidades del estudio
“La naturaleza no hace mucho diseño de abajo hacia arriba, molecular e impulsado por la precisión como lo hacemos en el laboratorio. La naturaleza necesita flexibilidad para llegar a donde está. Es más, la naturaleza no dice, estudiemos la estructura de este virus y hagamos un antígeno para atacarlo. Expresará una biblioteca de antígenos y, a partir de ahí, elegirá el que funcione”, explicó
Esa aleatoriedad se puede aprovechar para diseñar polímeros sintéticos que se mezclen bien con proteínas naturales. Creando plásticos biocompatibles más fácilmente que las técnicas específicas actuales, dijo.
Trabajando con el estadístico aplicado Haiyan Huang, profesor de UC Berkeley, los investigadores desarrollaron métodos de aprendizaje profundo y poder unir las propiedades de las proteínas naturales con las propiedades de los polímeros plásticos y diseñar un polímero artificial que funcione de manera similar, pero no idéntica, a la proteína natural.
Por ejemplo, al tratar de diseñar un fluido que estabilice proteínas naturales específicas. Las propiedades más importantes del fluido son las cargas eléctricas de las subunidades poliméricas y si a estas subunidades les gusta o no interactuar con el agua, es decir, si son hidrofílicas o no. Los polímeros sintéticos fueron diseñados para igualar esas propiedades, pero no otras características de las proteínas naturales en el fluido.
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