Abductina

La abductina es una proteína elastomérica natural que se encuentra en el ligamento de la bisagra de los moluscos bivalvos . Es única, ya que es el único elastómero natural con elasticidad compresible, a diferencia de la resilina, la seda de araña y la elastina . ^{[ 1 ]} Su nombre se propuso debido a que funciona como abductor de las valvas de los moluscos bivalvos.

Las propiedades de la abductina varían entre las especies de bivalvos debido a la función específica de cada especie o al entorno en el que se encuentra. A pesar de estas diferencias, la función general es la misma: actúa en sentido opuesto a los músculos abductores, donde la resilina fuerza a las conchas a adoptar una configuración abierta.

Aunque las Oficinas de Patentes y Marcas de los Estados Unidos aprobaron patentes para secuencias proteicas específicas de abductina, a abril de 2022 no existían usos comerciales a gran escala para la abductina.

La composición de aminoácidos de la proteína dentro del ligamento de la bisagra interna de los moluscos bivalvos fue descubierta por primera vez por Robert E. Kelly y Robert V. Rice en 1967, quienes posteriormente propusieron el nombre de la proteína como abductina. ^{[ 3 ]} Esto se derivó de su función como abductor de las conchas de los moluscos bivalvos. Kelly y Rice descubrieron que la proteína carecía de la presencia de hidroxiprolina e hidroxilisina, que son aminoácidos indicativos de la proteína común, el colágeno . Análisis posteriores mostraron que la abductina está compuesta por tres aminoácidos prominentes: glicina, metionina y fenilalanina, que están dispuestos en múltiples secuencias repetidas a lo largo de la molécula. ^{[ 4 ]} Esto se encontró en Placopecten magellanicus. La abductina es similar a la elastina y la resilina, pero tiene una diferencia principal por tener altas concentraciones de glicina y metionina. ^{[ 3 ]} La glicina y la metionina, y otros residuos de aminoácidos, varían en concentración según las diferentes especies. En Argopecten irradians , por ejemplo, la glicina y la metionina constituyen el 57,3 % y el 14,3 % de la proteína, respectivamente. ^{[ 4 ]} La alta concentración de metionina que se encuentra en la abductina la hace única porque no es común en las proteínas elastoméricas naturales.

Las secuencias peptídicas como MGGG, FGGMG, FGGMGGG, GGFGGMGGG y FGGMGGGNAG se repiten a lo largo de la cadena peptídica. ^{[ 3 ]} Cabe destacar que todas estas secuencias peptídicas contienen glicina. Además, en Argopecten irradians, el pentapéptido FGGMG se repite a lo largo de la molécula. ^{[ 5 ]} La principal característica de la secuencia peptídica de la abductina es la presencia de muchas secuencias repetidas, todas las cuales contienen residuos de glicina. Esto es similar a la estructura de la elastina.

La abductina está ligeramente reticulada, lo que le confiere su alta elasticidad. Se ha investigado el origen de la reticulación, pero no se ha encontrado una explicación concreta. La ausencia de tirosina en la cadena peptídica sugiere que los enlaces cruzados no se forman mediante enlaces de ditirosina , como ocurre en la resilina. ^{[ 5 ]} Diversos investigadores han propuesto hipótesis sobre el mecanismo de reticulación. Una posible fuente de reticulación se debe a la presencia de un dímero de metionina, ½ cistina en algunas especies u otros aminoácidos similares que contienen un puente disulfuro, lo que crea el enlace cruzado entre las cadenas peptídicas. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Otro estudio descubrió que la 3,3'-metilen-bistirosina podría ser responsable de la reticulación en la abductina, de forma similar a como los residuos de tirosina y lisina son responsables de la reticulación en la resilina y la elastina. ^{[ 6 ]}

La abductina es acelular y de estructura amorfa, como se descubrió mediante microscopía y difracción de rayos X, respectivamente. ^{[ 2 ]} Dado que la abductina es insoluble y su aislamiento del ligamento bisagra es difícil, existe una falta de investigación sobre su estructura a nivel proteico, como las estructuras secundarias y jerárquicas. ^{[ 2 ]} Investigaciones más recientes sobre péptidos sintéticos derivados de la abductina encontraron que tienen una estructura de hélice de poliprolina II en soluciones acuosas y una estructura de giro β de tipo II en disolventes hidrofóbicos. ^{[ 1 ]} También se pueden observar combinaciones de ambas estructuras para cadenas peptídicas más largas similares a la abductina. ^{[ 1 ]}

El uso de la abductina varía entre las diferentes especies de moluscos del mundo. Algunos, como las vieiras y las almejas, pueden nadar mediante un movimiento repetitivo de apertura y cierre de su concha, cuyo movimiento absorbe y expulsa agua rápidamente. ^{[ 7 ]} En otras especies de moluscos, la presencia de abductina se localiza generalmente donde las dos conchas se unen para formar una bisagra. ^{[ 8 ]} A diferencia de las necesidades de las vieiras para un retorno de energía eficiente para el movimiento, especies como la Apylsia consideran necesario reducir el retorno de energía en favor de la estabilidad en la apertura y el cierre de las conchas. ^{[ 8 ]} La abductina se puede encontrar dentro de la estructura del resilium, que se utiliza para almacenar energía mecánica para este propósito. ^{[ 7 ]} La efectividad de la abductina está muy influenciada por los aspectos morfológicos de la concha del molusco, como su tamaño y forma. ^{[ 7 ]} Otras influencias en el desempeño de la abductina en moluscos son la temperatura, donde hay una disminución en el desempeño a medida que disminuye la temperatura del ambiente circundante, y la presencia de octopina, que actúa como un análogo del ácido láctico en mamíferos. ^{[ 7 ]} La implementación de la estructura del resilio de la almeja puede modelarse como un sistema oscilatorio, donde trabaja contra el músculo abductor para abrir la concha del organismo; el resilio fuerza la apertura de la concha mientras que el músculo abductor controla su cierre. ^{[ 7 ]}

Existe poca información sobre la estructura y función de las proteínas elastoméricas compresibles, como la abductina. La comprensión de las características estructurales subyacentes de estas proteínas podría conducir al desarrollo de una nueva clase de hidrogeles compresibles altamente personalizados. El conocimiento de las características estructurales y funcionales subyacentes de los elastómeros naturales compresibles, como la abductina, puede dar lugar a nuevos bioelastómeros compresibles con propiedades de material a medida. ^{[ 9 ]}

Al interpretar los exponentes de Hurst como Flory, el agua resulta ser un disolvente deficiente para los péptidos de abductina. ^{[ 10 ]} Predecir el entorno de disolvente funcional para proteínas insolubles como la abductina es particularmente difícil porque la hidrofobicidad de la proteína y su probable naturaleza reticulada sugieren un entorno interno menos polar que el disolvente circundante. ^{[ 9 ]}

Se ha sugerido previamente la presencia de conformaciones extendidas (PPII) y plegadas (giros β) en equilibrio para describir la abductina. ^{[ 9 ]} Los espectros de dicroísmo circular (CD) revelaron que AMP1 (una secuencia de abductina de 25 aminoácidos) adopta una conformación desordenada dominante a 258 °C y una conformación de poliprolina II (PPII) a 0 °C y 458 °C con una posible cantidad menor de conformeros de giro β de tipo II. ^{[ 9 ]} Esta observación indica que AMP1 experimenta una transición de temperatura inversa, ya que pasa de una conformación desordenada dominante a una conformación PPII extendida y periódica con el aumento de la temperatura. ^{[ 9 ]} La estructura secundaria de la abductina también se investigó mediante resonancia magnética nuclear (RMN) y estudios de CD de varios péptidos sintéticos. La mayoría de los péptidos sintéticos basados ​​en abductina adoptaron estructuras de poliprolina II (PPII), que son hélices levógiras, en solución acuosa, mientras que tenían giros β de tipo II en trifluoroetanol (TFE), que es un disolvente más hidrofóbico (menos polar). La coexistencia de PPII y giros β de tipo II y transiciones multiconformacionales inducidas por la temperatura se observaron con péptidos sintéticos similares a la abductina más largos como (FGGMGGGNAG)4 en hexafluoroisopropanol (HFIP). ^{[ 11 ]} La estructura secundaria de AB12 se analizó cualitativamente comparando los espectros de CD con otros péptidos con estructuras secundarias conocidas. Los espectros de CD de soluciones acuosas de AB12 muestran un pico negativo fuerte a 200 nm y una tendencia hacia valores positivos a ~218 nm, que son características de las hélices PPII. Un punto isodicroico a ~208 nm sugiere que existe un equilibrio entre la estructura PPII y otras conformaciones. Además, dado que el pico a 218 nm nunca supera cero, los espectros sugieren la coexistencia de estructuras desordenadas y hélices PPII. Se observa una pequeña banda negativa a ~225 nm, que probablemente se deba al residuo aromático fenilalanina en la secuencia. ^{[ 11 ]}

Se estudió el efecto de la temperatura en la estructura secundaria. Con el aumento de la temperatura, la magnitud de ambos picos en los espectros de CD a 200 y 218 nm disminuyó, lo cual es típico de las conformaciones de hélice PPII. Además, el cambio en la estructura debido a la temperatura fue completamente reversible y no mostró histéresis. Se cree que la conformación PPII, ampliamente presente en proteínas elastoméricas como la elastina y la titina, desempeña un papel importante en la determinación de la elasticidad de estas proteínas. ^{[ 11 ]} La proteína basada en abductina poseía un comportamiento reversible de Temperatura Crítica Superior de Solución (UCST) y formaba una estructura similar a un gel. A altas temperaturas, mostró un comportamiento de agregación irreversible. La respuesta térmica es una propiedad útil para el diseño de sistemas de administración de fármacos porque la encapsulación y liberación de fármacos se pueden controlar fácilmente mediante cambios de temperatura. ^{[ 11 ]}

La proteína basada en abductina fue citocompatible , y las células se extendieron lentamente al sembrarse inicialmente sobre ella. ^{[ 11 ]} Un ensayo LIVE/DEAD reveló que las células endoteliales de la vena umbilical humana presentaban una viabilidad del 98 ± 4% tras ser cultivadas durante dos días sobre la proteína basada en abductina. La extensión celular inicial sobre la proteína basada en abductina fue similar a la observada sobre la albúmina sérica bovina. Estos estudios demuestran, por lo tanto, el potencial de las proteínas basadas en abductina en aplicaciones de ingeniería de tejidos y administración de fármacos debido a su citocompatibilidad y su respuesta a la temperatura. ^{[ 11 ]}

La abductina natural tiene un módulo de elasticidad a la tracción de 1,25 MPa, superior al de la elastina (0,3-0,6 MPa) pero del mismo orden de magnitud que el de la resilina (0,6-2 MPa). ^{[ 11 ]} Su módulo de elasticidad a la compresión es de 4 MPa, superior al de la resilina (0,6-0,7 MPa). Las propiedades mecánicas superiores de la abductina natural ofrecen el potencial para el diseño de biomateriales basados ​​en proteínas que pueden utilizarse en una gama más amplia de aplicaciones. ^{[ 11 ]}

A solution of AB12 (10 mg/mL in Milli-Q water) was visually observed to turn from transparent to opaque when cooled from room temperature to lower temperatures (incubated on ice). Dynamic Light Scattering (DLS) was used to further investigate the temperature responsiveness of AB12. An abrupt decrease in the hydrodynamic diameter (DH) of AB12 was observed when the protein solution was heated from 2 to 5 °C. This phenomenon is indicative of Upper Critical Solution Temperature (UCST) behavior. The change in DH at low temperatures was reversible and displayed some hysteresis. A moderate increase in DH was observed from 35 °C, and a sharper increase in DH occurred starting at 57 °C (aggregation temperature). Compared to the reversible UCST behavior, the transition that occurred at the aggregation temperature was irreversible.^[11]

In the case of abductin, on compression, the equilibrium extended ⇄ folded should be shifted to the folded structures, decreasing the entropy. The uncompressed, multi-conformational state is recovered by a simple increase in entropy after the removal of the compression force. This is opposite to elastin’s behavior.^[12]

The first patent that is dedicated to the usage and implementation of abductin was accepted by the United States Patent and Trademark Office on October 3, 2000 (Patent No. 6,127,166).^[13] The patent in question details the specific protein sequence of abductin to be manufactured through biological means and the possible applications of the polymer, suggesting possible uses as a copolymer for other naturally occurring polymers, a fabric material, or a material that binds with antibodies.^[13] As of April 2022, there hasn’t been large-scale production, nor application, of polymers derived from the abductin or related polymeric sequences.