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Nanodisco

Ilustración esquemática de un nanodisco MSP con una proteína transmembrana de 7 dominios incrustada. El diámetro es de aproximadamente 10 nm. Imagen del Laboratorio Sligar. Un n...

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Ilustración esquemática de un nanodisco con una proteína de 7 dominios transmembrana incrustada.
Ilustración esquemática de un nanodisco MSP con una proteína transmembrana de 7 dominios incrustada. El diámetro es de aproximadamente 10 nm. Imagen del Laboratorio Sligar.

Un nanodisco es un sistema de membrana modelo sintético que ayuda en el estudio de las proteínas de membrana . [ 1 ] Los nanodiscos son proteínas discoidales en las que una bicapa lipídica está rodeada por moléculas que son moléculas anfipáticas que incluyen proteínas, péptidos y polímeros sintéticos. [ 2 ] Está compuesto por una bicapa lipídica de fosfolípidos con el borde hidrofóbico protegido por dos proteínas anfipáticas . Estas proteínas se llaman proteínas de andamiaje de membrana (MSP) y se alinean en formación de doble cinturón. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Los nanodiscos son estructuralmente muy similares a las lipoproteínas de alta densidad (HDL) discoidales y las MSP son versiones modificadas de la apolipoproteína A1 (apoA1), el principal constituyente de la HDL. Los nanodiscos son útiles en el estudio de las proteínas de membrana porque pueden solubilizar y estabilizar las proteínas de membrana [ 6 ] y representan un entorno más nativo que los liposomas , las micelas de detergente , las bicelas y los anfipoles .

El arte de fabricar nanodiscos ha evolucionado más allá del uso exclusivo de MSP y lípidos para crear partículas, dando lugar a estrategias alternativas como los nanodiscos peptídicos que utilizan proteínas más simples y los nanodiscos sintéticos que no necesitan proteínas para su estabilización.

nanodisco MSP

El nanodisco original fue producido por MSP derivadas de apoA1 desde 2002. [ 3 ] El tamaño y la estabilidad de estos discos dependen del tamaño de estas proteínas, que puede ajustarse mediante truncamiento y fusión. En general, las proteínas MSP1 constan de una repetición, y las MSP2 tienen el doble de tamaño. [ 7 ] [ 8 ]

nanodisco peptídico

En los nanodiscos peptídicos, la bicapa lipídica está protegida por péptidos anfipáticos en lugar de dos MSP. Los nanodiscos peptídicos son estructuralmente similares a los nanodiscos MSP y los péptidos también se alinean en una doble banda. Pueden estabilizar proteínas de membrana, [ 9 ] pero tienen mayor polidispersidad y son estructuralmente menos estables que los nanodiscos MSP. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que la dimerización [ 10 ] y la polimerización [ 11 ] de los péptidos los hacen más estables.

nanodisco sintético/nativo

Otra forma de imitar la membrana lipídica nativa son los polímeros sintéticos . Los copolímeros de estireno-ácido maleico (SMA) [ 12 ] [ 13 ] llamados SMALP o Lipodisq y el ácido diisobutileno-maleico (DIBMA) [ 14 ] son ​​tales polímeros sintéticos (DIBMALP). Pueden solubilizar proteínas de membrana directamente de células o extracto crudo. También se han utilizado para estudiar la composición lipídica de varios organismos. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Se descubrió que todos los polímeros sintéticos que contienen un grupo de estireno y ácido maleico pueden solubilizar proteínas. [ 18 ] Estas nanopartículas de SMA también se han probado como posible vehículo de administración de fármacos [ 19 ] y para el estudio del plegamiento, modificaciones postraduccionales e interacciones lipídicas de proteínas de membrana por espectrometría de masas nativa . [ 20 ] Ahora se utilizan de forma rutinaria para resolver estructuras de proteínas de membrana para crio-EM , como las toxinas formadoras de poros aerolisina ( resolución de 2,1 Å), donde se modeló cierta densidad lipídica y se dilucidaron interacciones clave relevantes para la comprensión del mecanismo de formación de poros, su correcto posicionamiento y anclaje en la membrana. [ 21 ]

Referencias

  1. ↑ Liszewski K (1 de octubre de 2015). "Disecando la estructura de las proteínas de membrana" . Genetic Engineering & Biotechnology News . 35 (17): 16– 18, 21. doi : 10.1089/gen.35.07.09 . Los nanodiscos son bicapas de fosfolípidos a nanoescala autoensamblables que se estabilizan mediante proteínas de andamiaje de membrana diseñadas.
  2. ↑ Anada C, Ikeda K, Egawa A, Fujiwara T, Nakao H, Nakano M (abril de 2021). "Transiciones conformacionales dependientes de la temperatura y la composición de nanodiscos de péptidos-fosfolípidos anfipáticos". Journal of Colloid and Interface Science . 588 : 522–530 . Bibcode : 2021JCIS..588..522A . doi : 10.1016/j.jcis.2020.12.090 . PMID 33429348 . 
  3. 1 2 Bayburt TH, Grinkova YV, Sligar SG (2002). "Autoensamblaje de nanopartículas de bicapa de fosfolípidos discoidales con proteínas de andamiaje de membrana". Nano Letters . 2 (8): 853– 856. Bibcode : 2002NanoL...2..853B . doi : 10.1021/nl025623k .
  4. ↑ Bayburt TH, Sligar SG (mayo de 2010). "Ensamblaje de proteínas de membrana en nanodiscos" . FEBS Letters . 584 (9): 1721– 1727. Bibcode : 2010FEBSL.584.1721B . doi : 10.1016/j.febslet.2009.10.024 . PMC 4758813. PMID 19836392 .  
  5. ↑ Skar-Gislinge N, Simonsen JB, Mortensen K, Feidenhans'l R, Sligar SG, Lindberg Møller B, et al. (octubre de 2010). "Estructura elíptica de nanodiscos de bicapa fosfolipídica encapsulados por proteínas de andamiaje: dilucidando los roles de los lípidos y la proteína" . Journal of the American Chemical Society . 132 (39): 13713– 13722. Bibcode : 2010JAChS.13213713S . doi : 10.1021/ja1030613 . PMC 4120756. PMID 20828154 .   
  6. ↑ Denisov IG, Sligar SG (enero de 2011). "Citocromos P450 en nanodiscos" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteínas y proteómica . 1814 ( 1): 223– 229. doi : 10.1016/j.bbapap.2010.05.017 . PMC 2974961. PMID 20685623 .  
  7. ↑ Denisov IG, Grinkova YV, Lazarides AA, Sligar SG (marzo de 2004). "Autoensamblaje dirigido de nanodiscos de bicapa fosfolipídica monodispersos con tamaño controlado". Journal of the American Chemical Society . 126 (11): 3477– 3487. Bibcode : 2004JAChS.126.3477D . doi : 10.1021/ja0393574 . PMID 15025475 . 
  8. ↑ Grinkova YV, Denisov IG, Sligar SG (noviembre de 2010). "Ingeniería de proteínas de andamiaje de membrana extendidas para el autoensamblaje de bicapas lipídicas solubles a nanoescala" . Protein Engineering, Design & Selection . 23 (11): 843– 848. doi : 10.1093/protein/gzq060 . PMC 2953958. PMID 20817758 .  
  9. ^ Midtgaard SR, Pedersen MC, Kirkensgaard JJ, Sørensen KK, Mortensen K, Jensen KJ, et al. (febrero de 2014). "Los péptidos autoensamblables forman nanodiscos que estabilizan las proteínas de la membrana". Materia Blanda . 10 (5): 738– 752. Bibcode : 2014SMat...10..738M . doi : 10.1039/c3sm51727f . PMID 24651399 .  
  10. ↑ Larsen AN, Sørensen KK, Johansen NT, Martel A, Kirkensgaard JJ, Jensen KJ, et al. (julio de 2016). "Péptidos diméricos con tres enlaces diferentes se autoensamblan con fosfolípidos para formar nanodiscos peptídicos que estabilizan proteínas de membrana" . Soft Matter . 12 (27): 5937– 5949. Bibcode : 2016SMat...12.5937L . doi : 10.1039/c6sm00495d . PMID 27306692 .  
  11. ↑ Kondo H, Ikeda K, Nakano M (octubre de 2016). "Formación de nanodiscos lipídicos resistentes a la desnaturalización y con tamaño controlado mediante un péptido autopolimerizable anfifílico". Colloids and Surfaces B: Biointerfaces . 146 : 423–430 . doi : 10.1016/j.colsurfb.2016.06.040 . PMID 27393815 . 
  12. ↑ Bada Juarez JF, Harper AJ, Judge PJ, Tonge SR, Watts A (julio de 2019). "De la química de polímeros a la biología estructural: el desarrollo de SMA y polímeros anfipáticos relacionados para la extracción y solubilización de proteínas de membrana" . Química y física de los lípidos . 221 : 167–175 . doi : 10.1016/j.chemphyslip.2019.03.008 . PMID 30940445 . 
  13. ↑ Knowles TJ, Finka R, Smith C, Lin YP, Dafforn T , Overduin M (junio de 2009). "Proteínas de membrana solubilizadas intactas en nanopartículas que contienen lípidos delimitadas por un copolímero de estireno-ácido maleico". Journal of the American Chemical Society . 131 (22): 7484–7485 . Bibcode : 2009JAChS.131.7484K . doi : 10.1021/ja810046q . PMID 19449872 . 
  14. ↑ Oluwole AO, Klingler J, Danielczak B, Babalola JO, Vargas C, Pabst G, et al. (diciembre de 2017). "Formación de nanodiscos de bicapa lipídica mediante copolímero de diisobutileno/ácido maleico (DIBMA)". Langmuir . 33 (50): 14378– 14388. doi : 10.1021/acs.langmuir.7b03742 . PMID 29160078 .  
  15. ↑ Lavington S, Watts A (noviembre de 2020). "Tecnologías de nanopartículas lipídicas para el estudio de receptores acoplados a proteínas G en entornos lipídicos" . Biophysical Reviews . 12 (6): 1287– 1302. doi : 10.1007/s12551-020-00775-5 . PMC 7755959. PMID 33215301 .  
  16. ↑ Barniol-Xicota M, Verhelst SH (febrero de 2021). "Análisis lipidómico y en gel de nanodiscos de copolímero de ácido maleico revela diferencias en la composición de membranas solubilizadas" . Communications Biology . 4 (1) 218. doi : 10.1038/s42003-021-01711-3 . PMC 7886889. PMID 33594255 .  
  17. ↑ Bada Juarez JF, O'Rourke D, Judge PJ, Liu LC, Hodgkin J, Watts A (agosto de 2019). "Lipodisqs para lipidómica eucariota con retención de viabilidad: Sensibilidad y resistencia a la infección por Leucobacter vinculadas a la composición de la cutícula de C. elegans" . Química y física de los lípidos . 222 : 51–58 . doi : 10.1016/j.chemphyslip.2019.02.005 . PMID 31102583 . 
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  19. ↑ Torgersen ML, Judge PJ, Bada Juarez JF, Pandya AD, Fusser M, Davies CW, et al. (abril de 2020). "Caracterización fisicoquímica, toxicidad y estudios de biodistribución in vivo de un vehículo de administración de fármacos discoidal a base de lípidos: nanopartículas Lipodisq que contienen doxorrubicina". Journal of Biomedical Nanotechnology . 16 (4): 419– 431. doi : 10.1166/jbn.2020.2911 . hdl : 10852/85267 . PMID 32970975 .  
  20. ↑ Hoi KK, Bada Juarez JF, Judge PJ, Yen HY, Wu D, Vinals J, et al. (marzo de 2021). "Las nanopartículas Lipodisq sin detergente facilitan la espectrometría de masas de alta resolución de proteínas de membrana integrales plegadas" . Nano Letters . 21 (7): 2824– 2831. Bibcode : 2021NanoL..21.2824H . doi : 10.1021/acs.nanolett.0c04911 . PMC 8050825. PMID 33787280 .   
  21. ↑ Anton JS, Iacovache I, Bada Juarez JF, Abriata LA, Perrin LW, Cao C, et al. (febrero de 2025). " Estructuras de nanoporos de aerolisina reveladas a alta resolución en un entorno lipídico" . Journal of the American Chemical Society . 147 (6): 4984– 4992. doi : 10.1021/jacs.4c14288 . PMC 11826888. PMID 39900531 .   
  • Tecnología de nanodiscos del laboratorio de Stephen Sligar
  • HDL y nanodiscos: una visión general de la tecnología de nanodiscos en la UIUC.
  • Nanodiscos de bicapa fosfolipídica: un resumen del laboratorio Atkins en la Universidad de Washington.
  • Sitio web de nanodiscos nativos de SMA Sitio web de la comunidad de investigación internacional que utiliza SMA u otros polímeros (DIBMA, por ejemplo) como alternativa a los detergentes convencionales y al entorno lipídico sintético que se encuentra en MSP-Nanodisc.