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» » » » Los secretos de la flexibilidad de la elastina

Referencia: eScience.news.com, 6 de febrero 2016
“Uncovering secrets of elastin's flexibility during assembly”
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La elastina es una pieza fundamental de nuestro cuerpo, su flexibilidad permite que la piel se estire y retuerza y los vasos sanguíneos se expandan y relajen con cada latido del corazón, que los pulmones se hinchen y contraigan con cada respiración. Pero cómo estos tejidos a base de proteínas alcanzan esta flexibilidad ha sido una cuestión sin resolver, hasta ahora. Este material tiene una notable combinación de flexibilidad y durabilidad: la elastina es una de la mayores componentes de proteínas de larga duración del cuerpo, con un tiempo medio de supervivencia comparable a la esperanza de vida humana.

Esta imagen muestra los tubos de elastina como sustitutos de arterias, crédito: Universidad de Sydney
Durante la vida de una persona, la elastina de un vaso sanguíneo, por ejemplo, habrá pasado por un estimado de dos mil millones de ciclos de pulsación.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Sydney, el MIT y de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, han llevado a cabo un análisis que revela los detalles de una estructura jerárquica de moléculas con forma de tijeras que da a la elastina sus notables propiedades.

Los resultados se publican hoy en el journal Science Advances, en un artículo de la Universidad de Sydney, por la investigadora asociada postdoctoral Dr. Giselle Yeo y el profesor Anthony Weiss, de la Facultad de Ciencias y el Centro Charles Perkins, y cuenta entre sus coautores a la graduada del MIT Anna Tarakanova y al profesor de Ingeniería Civil y Ambiental, Markus Buehler.

Los tejidos de elastina se componen de moléculas de una proteína llamada tropoelastina, que se unen entre sí en una estructura con forma de cadena, y que el profesor Weiss y su equipo han estado estudiando en el laboratorio durante muchos años. En este trabajo, colaboraron con el profesor Buehler y la Sra Tarakanova del MIT, que se han especializado en la determinación de la estructura molecular de los materiales biológicos a través de un modelado muy detallado a escala atómica. La combinación de los métodos de cálculo y de laboratorio han proporcionado conocimientos que ninguno de estos métodos podría haber obtenido de forma aislada, afirman los miembros del equipo.

Si bien el estudio de la elastina se ha estado llevando a cabo durante mucho tiempo, el profesor Weiss insiste que este esstudio en particular fue emocionante por varios motivos: debido a la formación de imágenes de sincrotrón realizada por los miembros del equipo Clair Baldock, en la Universidad de Manchester, la investigación reveló la forma y estructura de las moléculas básicas de la tropoelastina. Sin embargo, éstas imágenes eran instantáneas fijas, que no podía iluminar la compleja dinámica del material que forma las grandes estructuras que se pueden estirarse y rebotar.

Esos efectos dinámicos han podido ser revelados a través de la combinación de modelado por ordenador y el trabajo de laboratorio. "Únicamente mediante la combinación de fuerzas de estos tres grupos" que los detalles han podido unirse, dijo el profesor Weiss.

Tarakanova explicó que en el laboratorio del profesor Buehler, "usamos modelos para estudiar los materiales en diferentes escalas de longitud, y también de la elastina, que es muy útil, ya que podemos estudiar los detalles a una escala sub-molecular y reconstruirlo a una escala de un solo molécula". Mediante el examen de la relación de la estructura a través de estas diferentes escalas, dijo, "podíamos predecir la dinámica de la molécula".

La dinámica resultó ser compleja y sorprendente, comentó el profesor Weiss. "Lo que hace la molécula es casi como una danza, junto al toque de tijeras, como una bailarina bailando". Los apéndices de tijeras de una molécula natural queden fijados al estrecho extremo de otra molécula, como una bailarina montando de una parte sobresaliente a la siguiente. Este proceso continúa, construyendo largas estructuras en forma de cadena.

Y estas largas cadenas se entrelazan para producir los tejidos flexibles de los que dependen nuestras vidas, incluyendo la piel, los pulmones y los vasos sanguíneos. Estas estructuras "se unen muy rápidamente", apuntaba el profesor Weiss, y esta nueva investigación "nos ayuda a comprender este proceso de ensamblaje".

Una clave del rompecabezas era el movimiento de la propia molécula, que el equipo descubrió que estaba controlado por una estructura de las regiones locales clave y por la forma global de la proteína.

El equipo testeó la forma en que se produce esta flexibilidad por modificación genética de la proteína, y comparó las características de las versiones modificadas y las naturales. Revivió un segmento corto del gen de la elastina que estaba en estado latente de humanos, lo cual cambia parte de la configuración de la proteína. Encontraron que, a pesar de que los cambios fueron menores y solo afectaban a una parte de la estructura, los resultados fueron espectaculares. La versión modificada tenía una región rígida que alteraba los movimientos de la molécula.

Esto ayudó a confirmar que ciertas partes específicas de la molécula, entre ellas una con una estructura helicoidal, eran esenciales para contribuir a la flexibilidad natural del material. Este hallazgo, en sí mismo, podría ser útil desde el punto de vista médico, señala el equipo, ya que puede explicar por qué los vasos sanguíneos se debilitan en las personas con ciertas condiciones de enfermedad, tal vez como resultado de una mutación en ese gen.

Entre tanto las conclusiones se refieren a una proteína en particular y a los tejidos que forma, el equipo dijo que dicha investigación también permite comprender una variedad de otros tejidos biológicos flexibles y cómo funcionan.

"La integración de experimento y modelización en la identificación de cómo la estructura molecular dota a los materiales con una durabilidad y elasticidad excepcional y el estudio de cómo estos materiales fallan en condiciones extremas, nos reporta importantes conocimientos para el diseño de nuevos materiales que sustituyen a los de nuestro cuerpo, o para materiales que podemos utilizar en aplicaciones de ingeniería en la que los materiales durables son críticos", dijo el profesor de Buehler.

"Estamos realmente entusiasmados con las nuevas oportunidades que surgen de esta colaboración y el potencial para un trabajo futuro, ya que el diseño de materiales que duren muchas décadas, sin descomponerse, es un gran reto de ingeniería que la naturaleza ha conseguido hacer muy bien, y que nosotros esperamos imitar "

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Fuente: Universidad de Sydney.

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