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

Estos puntos cuánticos, vistos bajo un microscopio electrónico, se produjeron en el Laboratorio Hecht utilizando proteínas de novo. Cada gota mide 2 nanómetros de diámetro, un factor importante ya que el tamaño determina el color. Crédito: Laboratorio Hecht

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


Pero, ¿qué pasa con la lista de cosas no seleccionadas por la naturaleza? ¿Y cuál es la posibilidad de construir secuencias completamente nuevas para crear nuevas proteínas (de novo) que no tengan similitud con nada en la naturaleza?

Esta es un área en la que Michael Hecht, profesor de química, está trabajando con su grupo de investigación. Recientemente, su deseo de diseñar su propio sistema ha dado sus frutos.

Descubrieron la primera proteína conocida de novo (recién producida) que hace que los puntos se unan. Los puntos cuánticos son nanocristales emisores de luz que se utilizan en aplicaciones electrónicas, desde pantallas LED hasta paneles solares.

Su trabajo abre la puerta a la fabricación sostenible de nanomateriales al demostrar que una serie de proteínas que no se encuentran en la naturaleza pueden utilizarse para sintetizar materiales, con importantes beneficios medioambientales.

Los cálculos cuantitativos generalmente se realizan en entornos industriales con solventes tóxicos calientes y costosos, procesos no económicos o ambientales. Pero Hecht y su equipo de investigación realizaron el trabajo en el laboratorio usando agua como solvente, produciendo un producto final que es compatible con la temperatura corporal.

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“Estamos interesados ​​en hacer organismos vivos, proteínas, que no surgen en la vida”, dijo Hecht, quien dirigió la investigación con Greg Scholes, profesor de química William S. Tod y director del departamento. “En cierto modo, nos preguntamos si hay otras formas de vida como las conocemos. Toda la vida en la tierra proviene de los mismos ancestros. Pero si creamos verdaderos organismos que no provienen de un solo ancestro, ¿pueden hacer cosas interesantes? Así que aquí estamos creando nuevas proteínas que nunca antes habían aparecido en la vida al hacer cosas que no existen en la vida.

La estructura del grupo también puede ajustar el tamaño de las nanopartículas, lo que determina el color que emiten o iluminan los puntos cuánticos. Esto hace posible marcar genes en sistemas biológicos, como destruir células cancerosas in vivo.

“Las partículas de puntos 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 capturar la luz y convertirla en energía química, lo que los hace útiles para convertirlos en luz solar o en todo tipo de fotografías.

“Pero por otro lado, son muy buenos para emitir luz en la longitud de onda deseada, lo que los hace adecuados para pantallas LED”.

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Y debido a que son pequeños, que están hechos de unos 100 átomos y tal vez de 2 nanómetros de diámetro, pueden atravesar algunas barreras biológicas, lo que hace que su uso en medicina y estudios biológicos sea especialmente prometedor.

¿Por qué se utiliza la proteína de novo?

“Creo que el uso de proteínas de novo proporciona una forma de diseño”, dijo Leah Spangler, coautora del estudio y ex postdoctorado de Scholes Lab. “La palabra clave para mí es ‘ingeniería’. Quiero poder programar proteínas para hacer algo especial, y este es un tipo de proteína que puedes hacer con ella.

Agregó que “los puntos que estamos haciendo aún no son efectivos, pero esto se puede mejorar ajustando la mezcla”, dijo. “Podemos obtener una mayor eficiencia mediante la ingeniería de la proteína para influir en la formación de gotas de diferentes maneras”.

Basado en el trabajo del coautor Sarangan Chari, químico senior en el laboratorio de Hecht, el equipo usó una proteína de novo que crearon, llamada ConK, para mejorar la reacción. Los investigadores aislaron ConK por primera vez en 2016 de una gran biblioteca de proteínas de unión. Todavía contiene aminoácidos naturales, pero se llama “de novo” porque su estructura no tiene similitud con las proteínas naturales.

Los investigadores encontraron que ConK permitió que E. coli sobreviviera en sedimentos de cobre tóxicos, lo que sugiere que puede ser útil para la unión y deposición de metales. Los compuestos utilizados en este estudio contienen sulfuro de cadmio. Dado que el cadmio es un metal, los investigadores se preguntaron si ConK podría usarse para conectar los puntos.

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Su atención valió la pena. ConK descompone la cisteína, uno de los 20 aminoácidos, en varios productos, incluido el sulfuro de hidrógeno. Esto actúa como una fuente activa de azufre que reaccionará con el cadmio metálico. El resultado es una gran cantidad de gotas de CdS.

“Para hacer una gota de sulfuro de cadmio, se necesita una fuente de cadmio y una fuente de azufre para reaccionar en solución”, dijo Spangler. “Lo que hace la proteína es proporcionar una fuente de azufre lentamente con el tiempo. Primero agregamos cadmio, pero las proteínas crean azufre, que reacciona para crear gotas de diferentes valores.

El estudio fue publicado en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Información Adicional:
Leah C. Spangler et al, una proteína de novo induce el crecimiento de puntos semiconductores, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204050119. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2204050119

Su disponibilidad
Universidad de Princeton

Discurso: Chemists Create Room-Temperature Quantum Dots Using Engineered Proteins (12 de diciembre de 2022) Obtenido el 12 de diciembre de 2022 de https://phys.org/news/2022-12-chemists-quantum-dots-room-temperature. html

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