Método colorimétrico económico para modelar interacciones proteína-NP

Método colorimétrico económico para modelar interacciones proteína-NP


La caracterización cuantitativa de las interacciones entre nanopartículas (NP) y proteínas en alto rendimiento es un desafío. En un artículo publicado en la revista Analytical Chemistrylos investigadores siguieron un enfoque colorimétrico para analizar cuantitativamente las proteínas adsorbidas en la superficie del NP. ​​​​​​

Método colorimétrico económico para modelar interacciones proteína-nanopartícula​​​​​​

​​​​​​​​​​​​​Estudio: análisis colorimétrico de alto rendimiento de las interacciones entre nanopartículas y proteínas basado en las propiedades imitadoras de enzimas de las nanopartículas. Crédito: Ángel Soler Gollonet/Shutterstock.com

Interacciones entre nanomateriales y proteínas

Los nanomateriales de ingeniería se utilizan en áreas biomédicas para la obtención de imágenes biológicas, el diagnóstico de enfermedades y la administración de fármacos. Al entrar en un entorno biológico, los nanomateriales absorben proteínas séricas e inmediatamente forman una «corona de proteínas», que puede cambiar las propiedades fisicoquímicas de los nanomateriales. Por lo tanto, los nanomateriales diseñados determinan la respuesta inmune y el comportamiento biológico de las proteínas, como la capacidad de direccionamiento, la citotoxicidad y la internalización celular.

Por lo tanto, es necesario comprender las interacciones entre los nanomateriales y las proteínas para diseñar nanomateriales efectivos y seguros funcionalizados para aplicaciones clínicas. A pesar de los continuos esfuerzos de los investigadores por comprender las nano-bio-interacciones, el comportamiento de adsorción de las proteínas en la superficie del nanomaterial sigue sin estar claro. En este sentido, la versatilidad de los nanomateriales y la falta de herramientas de caracterización eficientes podrían citarse como posibles razones de la falta de claridad en las nano-biointeracciones.

Aunque las técnicas biofísicas ilustran los aspectos mecánicos de las interacciones proteína-nanomaterial, estas técnicas no pueden lograr un análisis cuantitativo de alto rendimiento de la corona de proteínas debido a los complejos sistemas operativos o la vulnerabilidad de la corona de proteínas a la degradación ambiental. Esta ineficiencia de los métodos existentes limita la extracción de información importante sobre las interacciones proteína-NP. Por lo tanto, es imperativo desarrollar herramientas analíticas sólidas para la caracterización cuantitativa de alto rendimiento de las interacciones proteína-NP.

Las nanopartículas exhiben una actividad similar a la peroxidasa intrínseca que está influenciada por el entorno de la superficie. Por lo tanto, es difícil para las NPs adsorber los analitos de la solución. Esta dificultad de adsorción afecta negativamente a la eficiencia catalítica en las reacciones colorimétricas. En consecuencia, la solución muestra cambios en los valores de absorbancia que reflejan eventos de adsorción.

Las NP catiónicas pueden unirse fácilmente a biomoléculas e internalizarse celularmente. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en biomedicina. Sin embargo, el estudio de las interacciones de las NP catiónicas con los sistemas biológicos permanece prácticamente inexplorado.

Análisis colorimétrico de alto rendimiento de interacciones nanopartícula-proteína

En el presente trabajo, el investigador propuso un nuevo enfoque colorimétrico para analizar cuantitativamente la adsorción de proteínas en la superficie de las NP debido a sus propiedades similares a las de la peroxidasa. Examinaron las NP catiónicas de oro (Au) para demostrar la capacidad del método colorimétrico para evaluar las interacciones NP-proteína en placas de varios pocillos utilizando un enfoque de alto rendimiento. El equipo obtuvo los parámetros de unión de tres proteínas séricas diferentes y proteínas humanas a AuNP. Con base en el análisis cuantitativo de las interacciones NP-proteína, observaron que la afinidad de unión y la eficiencia de inhibición resultante de la actividad de la nanozima AuNP estaban influenciadas por las propiedades de las proteínas unidas y el tamaño de NP.

resultados del estudio

Las interacciones NP-proteína se evaluaron en función de las respuestas colorimétricas que imitan a la peroxidasa. Los investigadores primero estudiaron las interacciones de las AuNP con un diámetro promedio de 4,6 nanómetros (designadas como AuNP-5) con la albúmina de suero bovino (BSA).

Los resultados demostraron las propiedades catalíticas similares a la peroxidasa de AuNPs-5 y su capacidad para oxidar el sustrato 3,3′,5,5′-tetrametilbencidina (TMB) a un producto azul cuya absorbancia máxima en presencia de hidrógeno fue de peróxido de 652 nanómetros. (H2O2). Con base en el experimento de control, los investigadores confirmaron la necesidad de H2O2 y AuNPs para la oxidación de TMB y optimizó la concentración de TMB y H2O2 a 4 milimoles o 1,2% para dar los cambios colorimétricos más grandes.

Las condiciones fisiológicas para las interacciones NP-proteína se simularon realizando experimentos colorimétricos en solución salina tamponada con fosfato. (PBS) con un pH de 7 y una temperatura de 37 grados centígrados. La disminución gradual de la absorbancia con el aumento de la concentración de BSA en la solución de AuNP indicó la actividad catalítica similar a la peroxidasa del bromuro de N,N,N-trimetilamonio (MUTAB)-AuNP, cuya actividad fue atenuada por la presencia de BSA y, en consecuencia, inhibió la proximidad del sustrato a superficie AuNP. El equipo observó que las características de la corona de proteínas, como la composición de la corona y la orientación de las proteínas, desempeñan un papel en los procesos catalíticos.

Al ajustar los resultados a la ecuación de Hill modificada, pudieron obtener un acuerdo que dio un coeficiente de disociación (KD’) de 3,5 ± 0,4 × 10−8 unidades molares. Además, la eficiencia máxima (Emax) de 0,84 ± 0,03 obtenida confirmó el fuerte efecto de extinción de BSA sobre la actividad similar a la peroxidasa de las AuNP.

Conclusión

Por último, los investigadores demostraron que los estudios mecánicos de la adsorción de proteínas en NP con actividad similar a la de una enzima podían realizarse utilizando una plataforma colorimétrica. Los MUTAB-AuNP catiónicos con actividad similar a la peroxidasa se utilizaron para demostrar que el método colorimétrico puede evaluar las interacciones NP-proteína en placas de múltiples pocillos con un alto rendimiento. El análisis cuantitativo de los datos colorimétricos mostró que las características de la proteína influyeron fuertemente en la afinidad de unión y la consiguiente actividad inhibidora de nanozimas de MUTAB-AuNP. La actividad inhibitoria de esta nanozima imitó a las enzimas naturales en términos de unión de proteínas a los sitios activos, lo que resultó en una pérdida significativa de actividad catalítica.

Relación

Mengyao Wen, Juanmin Li, Wencheng Zhong, Jie Xu, Shaohua Qu, Hui Wei y Li Shang (2022). Análisis colorimétrico de alto rendimiento de las interacciones nanopartícula-proteína basado en las propiedades imitadoras de enzimas de las nanopartículas. Química analítica. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.2c01618

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