Músculos artificiales hechos de proteínas

Esquema del diseño, fabricación y aplicación de músculos proteicos artificiales. a) Características musculares naturales. Inspirado en los materiales de alto rendimiento de la naturaleza, elastina y resilina. b) Se diseñan nuevos genes de proteínas para producir biotecnológicamente las proteínas recombinantes correspondientes. c) Producir una proteína sensible al pH (DSY)16 d) secuencia superior en rojo) y una proteína sensible a la temperatura (VRY)16 (d) secuencia inferior en gris/negro). e) La formación de redes de proteínas fotoquímicas permite la fabricación de músculos 3D en capas con formas variables. f) El uso de una reacción de oscilación de pH basada en la reacción de Landolt (recuadro inferior) permite una reacción semicontinua alimentada químicamente que impulsa movimientos musculares de proteínas autónomos en una configuración de reacción especialmente diseñada e impresa en 3D. Crédito: DOI: 10.1002/aisy.202100189

Dr. Stefan Schiller y el Dr. Matthias Huber del Grupo de Excelencia livMatS de la Universidad de Friburgo han logrado desarrollar un músculo únicamente sobre la base de proteínas naturales. Las contracciones autónomas del material, que los investigadores presentaron en la revista Advanced Intelligent Systems, se pueden controlar con la ayuda de cambios de pH y temperatura. Los movimientos son impulsados por una reacción química que consume energía molecular para este fin. «Nuestro músculo artificial es todavía un prototipo», dice Schiller. «Sin embargo, la alta biocompatibilidad del material y la posibilidad de ajustar su composición para que coincida con un tejido particular podría allanar el camino para futuras aplicaciones en medicina reconstructiva, prótesis, farmacéutica o robótica blanda».

En el pasado, los científicos ya han tomado proteínas naturales como base para desarrollar sistemas de músculos artificiales y las han convertido en minúsculas máquinas moleculares o en polímeros. Sin embargo, aún no ha sido posible desarrollar materiales musculares sintéticos que sean completamente de base biológica y se muevan de forma autónoma con la ayuda de la energía química.

Material basado en la proteína natural elastina

El material utilizado por el equipo de Freiburg se basa en elastina, una proteína fibrosa natural que también se encuentra en los humanos, por ejemplo, dando elasticidad a la piel y los vasos sanguíneos. Siguiendo el modelo de esta proteína, los investigadores desarrollaron dos proteínas similares a la elastina, una de las cuales responde, por ejemplo, a las fluctuaciones del pH, la otra a los cambios de temperatura. Los científicos combinaron las dos proteínas por medio de enlaces cruzados fotoquímicos para formar un material bicapa. En este proceso es posible dar forma flexible al material y establecer la dirección de su movimiento.

Las contracciones se pueden activar y desactivar con la ayuda de los cambios de temperatura

Los investigadores lograron induciendo las contracciones rítmicas utilizando una fuente de energía química como combustible, en este caso sulfito de sodio. En una reacción química oscilante en la que el pH cambia en ciclos debido a un enlace especial de varias reacciones, la energía añadida se convirtió en energía mecánica a través de estados de no equilibrio del material. De esta forma, los investigadores indujeron al material a contraerse de manera autónoma y cíclica. También pudieron activar y desactivar las contracciones con la ayuda de los cambios de temperatura: la reacción química oscilante comenzó a una temperatura de alrededor de 20 grados centígrados y el material comenzó a realizar movimientos rítmicos. En el proceso, fue posible programar ciertos estados para que el material asumiera y restablecerlos nuevamente con otro estímulo. Los científicos lograron así un sistema simple para implementar el aprendizaje y el olvido a nivel material.

«Dado que se deriva de la proteína elastina natural y es producida por nosotros a través de medios biotecnológicos, nuestro material está marcado por una alta sostenibilidad que también es relevante para las aplicaciones técnicas», explica Schiller. «En el futuro, el material podría desarrollarse aún más para responder a otros estímulos, como la concentración de sal en el medio ambiente, y consumir otras fuentes de energía, como el malato derivado de la biomasa».

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Estructuras programables desde la impresora Más información: Matthias C. Huber et al, An Autonomous Chemically Fueled Artificial Protein Muscle, Advanced Intelligent Systems (2022). DOI: 10.1002/aisy.202100189 Proporcionado por la Universidad de Freiburg Cita: Músculos artificiales hechos de proteínas (28 de enero de 2022) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-01 -artificial-muscles-proteins.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.