Computational design of self-assembling proteins and protein-DNA nanowires

Computational protein design (CPD) is a burgeoning field that uses a physical-chemical or knowledge-based scoring function to create protein variants with new or improved properties. This exciting approach has recently been used to generate proteins with entirely new functions, ones that are not observed in naturally occurring proteins. For example, several enzymes were designed to catalyze reactions that are not in the repertoire of any known natural enzyme. In these designs, novel catalytic activity was built de novo (from scratch) into a previously inert protein scaffold. In addition to de novo enzyme design, the computational design of protein-protein interactions can also be used to create novel functionality, such as neutralization of influenza. Our goal here was to design a protein that can self-assemble with DNA into nanowires. We used computational tools to homodimerize a transcription factor that binds a specific sequence of double-stranded DNA. We arranged the protein-protein and protein-DNA binding sites so that the self-assembly could occur in a linear fashion to generate nanowires. Upon mixing our designed protein homodimer with the double-stranded DNA, the molecules immediately self-assembled into nanowires. This nanowire topology was confirmed using atomic force microscopy. Co-crystal structure showed that the nanowire is assembled via the desired interactions. To the best of our knowledge, this is the first example of a protein-DNA self-assembly that does not rely on covalent interactions. We anticipate that this new material will stimulate further interest in the development of advanced biomaterials.

Aplicação da técnica de difração de raios X usando luz síncroton para caracterização de esmalte dentário humano flluorótico e de controle

Com a introdução do flúor como o principal agente anticariogênico e, talvez, um aumento do flúor na nossa cadeia alimentar, a fluorose dentária tornou-se um problema mundial. Os mecanismos que conduzem à formação do esmalte fluorótico são desconhecidos, mas devem envolver modificações nas reações físico-químicas básicas de desmineralização e remineralização do esmalte dentário. O aumento daquantidade de flúor no cristal apatita resulta no aumento dos parâmetros de rede. O objetivo deste trabalho é caracterizar o esmalte dentário humano saudável e fluorótico usando difração de raios X com luz síncrotron. Todos os perfis de espalhamento foram medidos na linha de difração de raios X (XRD1) do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, Campinas SP. Os experimentos foram realizados usando amostras em pó e em lâminas polidas. As amostras em pó foram analisadas a fim de obter a caracterização do esmalte dentário saudável. As lâminas foram analisadas em áreas do esmalte específicas identificadas como fluoróticas. Todos os perfis foram comparados com amostras de esmalte de controle e também com a literatura. A evidente similaridade entre os perfis de difração mostraram a analogia entre as estruturas do esmalte dentário e a hidroxiapatita padrão. Fica evidente que os perfis de difração do esmalte dentário das amostras em lâmina são diferentes daqueles obtidos para o esmalte em pó. As diferenças encontradas incluem variação na cristalinidade e orientação preferencial. Os valores encontrados para as distâncias interplanares para o esmalte de controle e fluorótico das amostras em lâmina não apresentaram diferenças estatisticamente significativas. Isto pode ser explicado pelo fato que a hidroxiapatita e a fluoropatita formam cristais com a mesma estrutura hexagonal, mesmo grupo de simetria e têm parâmetros de rede muito próximos, os quais a habilidade do sistema não foi suficiente para resolver. Finalmente, este trabalho mostra que a difração de raios X usando radiação síncrotron é uma técnica poderosa para o estudo da cristalografia e microestrutura do esmalte dentário e, ainda, pode ser igualmente aplicada no estudo de outros tecidos biológicos duros e de biomateriais sintéticos.

O uso de células-tronco na regeneração dos tecidos dentários e periodonto

Os estudos abordando a regeneração dos tecidos dentários ganharam uma nova perspectiva com a utilização das células-tronco. E novas perspectivas têm surgido com a bioengenharia tecidual e as terapias periodontais e pulpares regeneradoras. O objetivo deste trabalho foi desenvolver o modelo experimental de autotransplante em ratos visando compará-lo à técnica de reimplante e estudar a capacidade terapêutica das células da medula óssea em diferentes biomateriais utilizados como matriz para a terapia de células-tronco no reparo dos tecidos dentais. Foram utilizados 23 ratos Wistar divididos em grupos de 1, 3, 15 e 60 dias para as técnicas de reimplante e autotransplante. Os grupos com injeção de células-tronco (CT) foram: (1) grupo de 3 dias, combinado à técnica de reimplante; (2) grupo de 15 dias com ambas as técnicas. Blocos contendo os três dentes molares superiores de cada lado dos ratos foram removidos, feitas radiografias periapicais e as peças foram processadas para inclusão em parafina. Foram avaliadas a espessura do ligamento periodontal (LPD) comparada entre os diferentes grupos e a morfologia celular e matriz extracelular relacionadas à superfície radicular, ao osso alveolar e à porção média do LPD, além das células da polpa dental de cada grupo. As células isoladas a partir da medula-óssea foram incubadas por 24h, 48h, e 72h em placas de cultura contendo membranas de colágeno bovino tipo I - CollaTape (Integra LifeSciences Corporation, Plainsboro, NJ, USA), enxerto ósseo - Extra Graft XG-13 (Silvestre Labs Quimica e Farmaceutica LTDA, RJ, Brazil) ou um dente molar de rato. Os espécimes foram observados em um microscópio invertido para contagem de células e processadas para observação no microscópio eletrônico de varredura (MEV). Os grupos de 1 e 3 dias apresentaram medidas de LPD significativamente maiores para a técnica de autotransplante quando comparadas ao reimplante. O grupo de 3 dias com CT não apresentou alterações pulpares significativas, diferente do controle (sem CT) O grupo de 15 dias com CT apresentou as mesmas características histológicas do grupo sem injeção de CT. A observação ao MEV dos biomateriais revelou que as células apresentaram pouca adesão e proliferação no enxerto ósseo e no cemento dentário quando comparados à membrana colágena. A técnica de reimplante associada à injeção de células-tronco sugere alguma influência da terapia com as células-tronco sobre a polpa. As distâncias aumentadas no LPD com a técnica de autotransplante podem não influenciar tanto o sucesso da técnica. As células mesenquimais da medula óssea possuem grande potencial para colonizarem a membrana colágena CollaTape que mostrou vantagens sobre o enxerto ósseo Extra Graft XG-13 como biomaterial para a aderência e a proliferação de células mononucleares da medula óssea, permitindo a diferenciação destas células.

Influência de tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas e metalúrgicas em liga odontológica à base de níquel-cromo.

É crescente a preocupação com o desenvolvimento de materiais adequados a trabalharem interagindo com o corpo humano. Diversas pesquisas têm sido realizadas no desenvolvimento de biomateriais aplicáveis na odontologia, este empenho é justificável pelo grande número de intervenções cirúrgicas para extração de dentes realizadas em todo o mundo. Durante o processo de fabricação de reconstruções dentárias, que utilizam sistemas metalocerâmicos, é utilizado um tratamento térmico que tem a função de promover a adesão da porcelana ao metal. Entretanto, sabe-se que tratamentos térmicos podem alterar a microestrutura do material metálico, modificando suas propriedades. Este trabalho avaliou as modificações causadas em propriedades mecânicas e microestruturais da liga à base de níquel (FIT CAST-SB) utilizada para fins odontológicos, quando a mesma é submetida ao tratamento térmico para adesão da porcelana (denominado de queima). A liga foi inicialmente fundida através da técnica de centrifugação e cera perdida. Posteriormente, um grupo de amostras (grupo TT) foi submetido ao tratamento térmico de queima para adesão da porcelana e o outro grupo (grupo F), permaneceu apenas submetido ao processo de fundição. Os grupos F e TT foram submetidos a ensaio de tração. Nos grupos F e TT, e no material como recebido pelo fabricante (grupo CR), foram realizados ensaios de microdureza e caracterização microestrutural, esta ultima através da técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os grupos F e CR foram submetidos à análise química quantitativa (em um espectrômetro de emissão atômica) e semi-quantitativa por um sistema de Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) acoplado ao MEV, sendo que esta ultima técnica também foi aplicada ao grupo TT. A técnica de tratamento digital de imagem foi aplicada às micrografias dos grupos F e TT, para a determinação de possíveis modificações quantitativas nas fases presentes, antes e após o tratamento térmico. Todos os resultados dos ensaios foram submetidos ao teste de hipótese nula (H0), para a distribuição t de Student. Concluiu-se que, para as amostras testadas, o limite de resistência foi superior ao fornecido pelo fabricante, respectivamente 559,39 e 545,55 MPa para os grupos F e TT, contra 306 MPa do fabricante. Enquanto o limite de escoamento foi ligeiramente inferior, 218,71 e 240,58 MPa para os grupos F e TT, respectivamente, contra 258 MPa do fabricante. Os resultados de microdureza ficaram entorno de 70HV, superior aos 21HV fornecido pelo fabricante. Pode-se afirmar, com 95% de confiabilidade, que não houve variação nas propriedades mecânicas e na microestrutura (quantidades de fases presentes e tamanho) antes e após a queima para adesão da porcelana, para os corpos de prova testados. A microestrutura da liga, quando observada em MEV no modo elétrons retroespalhados (modo BSE), é formada por uma matriz de estrutura dendrítica e coloração cinza, uma segunda fase interdendrítica de coloração branca e aspecto rendilhado, e precipitados de coloração preta, apresentando também porosidades.

Interações do lantânio com células livres e imobilizadas em alginato em regimes de batelada e contínuo

Este trabalho teve como objetivo descrever o potencial de biossorção de lantânio pelas microalgas Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. livres e pellets de alginato de cálcio, com e sem as microalgas imobilizadas, a partir de soluções aquosas. Para isso foram realizados estudos em regime batelada e em coluna de leito fixo. Modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem e de segunda ordem e isotermas de equilíbrio de Langmuir e de Freundlich foram utilizados para a descrição quantitativa e a previsão do comportamento de adsorção do metal pelas biomassas livres e imobilizadas no sistema descontínuo. Os dados foram mais bem ajustados pelo modelo cinético de segunda ordem, com coeficientes de determinação (r2) maiores que 0,98. Foram obtidos tempos de equilibrio muito curtos, na faixa de 1-30 minutos. A isoterma de Langmuir foi a que melhor se ajustou aos dados experimentais, com valores de r2 maiores que 0,94. Foram observados valores de qmáx, isto é, a quantidade máxima de metal captado pelo biossorvente, entre 0,96 e 10,43 mmol/g. As células livres mostraram-se mais eficientes do que os pellets caracterizados com e sem os micro-organismos. Os pellets mostraram melhor potencial quando contendo microalgas imobilizadas, em comparação com eles puros. No estudo dinâmico, 12 L de solução contendo uma concentração de La (III) de 150 mmol/L ascenderam pela coluna contendo Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. imobilizadas e pellets de alginato de cálcio puros durante 8 horas. No último minuto, os três biossorventes ainda apresentaram cerca de 80% de eficiência de remoção. Desta forma, o ponto de satuação não foi atingido. A rápida e alta capacidade de adsorção das microalgas revelou que sua aplicação em escala superior é possível em ambos os processos estudados, uma vez que a imobilização desses biomateriais não mudou a sua capacidade de sorção e nem o rápido contato entre o adsorvente e o soluto no processo de biossorção de lantânio

Efeitos da associação de biomateriais com doadores de óxido nítrico no reparo tecidual cutâneo de camundongos

A aplicação tópica de doadores de óxido nítrico é conhecida pelos seus efeitos benéficos no reparo tecidual cutâneo. O objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos da associação de biomateriais com doadores de óxido nítrico no reparo tecidual cutâneo de camundongos. Camundongos swiss machos foram submetidos a lesões excisionais por punch de biópsia de 8 mm no dorso. Os animais foram separados em 4 grupos (n=6 em cada grupo) de acordo com a aplicação do curativo de polivinil álcool e hidrogel sobre a lesão de punch: a) grupo polivinil álcool com grupos tiol e Pluronic F-127 (PVA-SH/F127) - tratado com hidrogel sem S- nitrosoglutationa (GSNO) e filme sem óxido nítrico; b) grupo polivinil álcool S-nitrosado (PVA-SNO/F127-GSNO) - tratado com hidrogel contendo GSNO e filme com óxido nítrico; c) grupo PVA-SNO - tratado apenas com filme óxido nítrico e d) grupo PVA-SNO/ F127 - tratado com hidrogel sem GSNO e filme com óxido nítrico. Os animais foram tratados por 7 dias consecutivos com aplicação diária de curativos com seus respectivos biomateriais. Após 7 dias de tratamento, foram retirados os curativos e as lesões foram deixadas cicatrizar por segunda intenção. O grupo tratado com filme de PVA-SNO (d) associado ao hidrogel F127, comparado com os demais grupos descritos acima, apresentou melhora no reparo tecidual, melhora da contração da lesão, diminuição do gap epitelial e densidade celular, aceleração da fase inflamatória, aumento da diferenciação miofibroblástica e aumento da expressão de colágeno do tipo III (p<0,05, ao menos). Com base nesses dados, a combinação de filmes PVA liberadores de óxido nítrico com F-127 pode representar uma nova abordagem para o tratamento de lesões cutâneas.

Uso de biomateriais nas abordagens cirúrgicas minimamente invasivas para tratamento de defeitos ósseos periodontais: revisão sistemática

O objetivo da presente dissertação foi realizar uma revisão sistemática para investigar os efeitos do uso de biomateriais no tratamento de defeitos ósseos periodontais por meio de abordagens cirúrgicas minimamente invasivas sobre os parâmetros clínicos periodontais. Foi realizada uma busca por ensaios randomizados controlados publicados entre os anos de 1995 e 2013 nas bases MEDLINE, EMBASE, CENTRAL, BVS, CLINICALTRIALS.gov, abstracts da International Association for Dental Research (IADR) e busca manual por possíveis estudos a serem incluídos. Foram localizados 541 estudos, sendo 12 selecionados para avaliação da elegibilidade e 5 estudos incluídos para análise qualitativa. Após aplicação de um instrumento para análise do viés associado, demonstrou-se um baixo risco de viés associado à maioria dos estudos incluídos. Nos resultados dos estudos incluídos foi possível observar que embora bem-sucedida, a associação de diferentes biomateriais às técnicas minimamente invasivas não trouxe benefício adicional aos parâmetros clínicos avaliados.

Guided growth of neurons and glia using microfabricated patterns of parylene-C on a SiO2 background.

This paper describes a simple technique for the patterning of glia and neurons. The integration of neuronal patterning to Multi-Electrode Arrays (MEAs), planar patch clamp and silicon based 'lab on a chip' technologies necessitates the development of a microfabrication-compatible method, which will be reliable and easy to implement. In this study a highly consistent, straightforward and cost effective cell patterning scheme has been developed. It is based on two common ingredients: the polymer parylene-C and horse serum. Parylene-C is deposited and photo-lithographically patterned on silicon oxide (SiO(2)) surfaces. Subsequently, the patterns are activated via immersion in horse serum. Compared to non-activated controls, cells on the treated samples exhibited a significantly higher conformity to underlying parylene stripes. The immersion time of the patterns was reduced from 24 to 3h without compromising the technique. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of parylene and SiO(2) surfaces before and after immersion in horse serum and gel based eluant analysis suggests that the quantity and conformation of proteins on the parylene and SiO(2) substrates might be responsible for inducing glial and neuronal patterning.

Effects of parylene-C photooxidation on serum-assisted glial and neuronal patterning.

The increasing use of patterned neural networks in multielectrode arrays and similar devices drives the constant development and evaluation of new biomaterials. Recently, we presented a promising technique to guide neurons and glia reliably and effectively. Parylene-C, a common hydrophobic polymer, was photolithographically patterned on silicon oxide (SiO(2)) and subsequently activated via immersion in serum. In this article, we explore the effects of ultraviolet (UV)-induced oxidation on parylene's ability to pattern neurons and glia. We exposed parylene-C stripe patterns to increasing levels of UV radiation and found a dose-dependent reduction in the total mass of patterned cells, as well as a gradual loss of glial and neuronal conformity to the patterns. In contrast, nonirradiated patterns had superior patterning results and increased presence of cells. The reduced cell adhesion and patterning after the formation of aldehyde and carboxyl groups on UV-radiated parylene-C supports our hypothesis that cell adhesion and growth on parylene is facilitated by hydrophobic adsorption of serum proteins. We conclude that unlike other cell patterning schemes, our technique does not rely on photooxidation of the polymer. Nonetheless, the precise control of oxygenated groups on parylene could pave the way for the differential binding of proteins and other molecules on the surface, aiding in the adhesion of alternative cell types. (c) 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res, 2010.

The influence of matrix integrity on stress-fiber remodeling in 3D.

Matrix anisotropy is important for long term in vivo functionality. However, it is not fully understood how to guide matrix anisotropy in vitro. Experiments suggest actin-mediated cell traction contributes. Although F-actin in 2D displays a stretch-avoidance response, 3D data are lacking. We questioned how cyclic stretch influences F-actin and collagen orientation in 3D. Small-scale cell-populated fibrous tissues were statically constrained and/or cyclically stretched with or without biochemical agents. A rectangular array of silicone posts attached to flexible membranes constrained a mixture of cells, collagen I and matrigel. F-actin orientation was quantified using fiber-tracking software, fitted using a bi-model distribution function. F-actin was biaxially distributed with static constraint. Surprisingly, uniaxial cyclic stretch, only induced a strong stretch-avoidance response (alignment perpendicular to stretching) at tissue surfaces and not in the core. Surface alignment was absent when a ROCK-inhibitor was added, but also when tissues were only statically constrained. Stretch-avoidance was also observed in the tissue core upon MMP1-induced matrix perturbation. Further, a strong stretch-avoidance response was obtained for F-actin and collagen, for immediate cyclic stretching, i.e. stretching before polymerization of the collagen. Results suggest that F-actin stress-fibers avoid cyclic stretch in 3D, unless collagen contact guidance dictates otherwise.

The influence of matrix integrity on stress-fiber remodeling in 3D

Matrix anisotropy is important for long term in vivo functionality. However, it is not fully understood how to guide matrix anisotropy in vitro. Experiments suggest actin-mediated cell traction contributes. Although F-actin in 2D displays a stretch-avoidance response, 3D data are lacking. We questioned how cyclic stretch influences F-actin and collagen orientation in 3D. Small-scale cell-populated fibrous tissues were statically constrained and/or cyclically stretched with or without biochemical agents. A rectangular array of silicone posts attached to flexible membranes constrained a mixture of cells, collagen I and matrigel. F-actin orientation was quantified using fiber-tracking software, fitted using a bi-model distribution function. F-actin was biaxially distributed with static constraint. Surprisingly, uniaxial cyclic stretch, only induced a strong stretch-avoidance response (alignment perpendicular to stretching) at tissue surfaces and not in the core. Surface alignment was absent when a ROCK-inhibitor was added, but also when tissues were only statically constrained. Stretch-avoidance was also observed in the tissue core upon MMP1-induced matrix perturbation. Further, a strong stretch-avoidance response was obtained for F-actin and collagen, for immediate cyclic stretching, i.e. stretching before polymerization of the collagen. Results suggest that F-actin stress-fibers avoid cyclic stretch in 3D, unless collagen contact guidance dictates otherwise. © 2012 Elsevier Ltd.

A comprehensive study of lysozyme adsorption using dual polarization interferometry and quartz crystal microbalance with dissipation.

Protein adsorption plays a crucial role in biomaterial surface science as it is directly linked to the biocompatibility of artificial biomaterial devices. Here, elucidation of protein adsorption mechanism is effected using dual polarization interferometry and a quartz crystal microbalance to characterize lysozyme layer properties on a silica surface at different coverage values. Lysozyme is observed to adsorb from sparse monolayer to multilayer coverage. At low coverage an irreversibly adsorbed layer is formed with slight deformation consistent with side-on orientation. At higher coverage values dynamic re-orientation effects are observed which lead to monolayer surface coverages of 2-3 ng/mm² corresponding to edge-on or/and end-on orientations. These monolayer thickness values ranged between 3 and 4.5 nm with a protein density value of 0.60 g/mL and with 50 wt% solvent mass. Further increase of coverage results formation of a multilayer structure. Using the hydration content and other physical layer properties a tentative model lysozyme adsorption is proposed.