From biomedical applications to cell mimicking in synthetic biology systems: unveiling the potential combination of polymers and biomolecules

Abstract

A integração da química de polímeros e bioquímica tornou-se um ponto focal no avanço de biomateriais para aplicações biomédicas. Os polímeros sintéticos tornaram-se ferramentas valiosas para imitar o comportamento de componentes biológicos. Por esta razão, têm sido amplamente investigados como blocos de construção para desenvolver biomateriais em engenharia tecidual, nanocarreadores para entrega direcionada e para a montagem de protocélulas sintéticas, como polimerossomas e coacervados. Na biologia sintética, protocélulas derivadas de polímeros inspiraram aplicações biotecnológicas e biomédicas. Este trabalho explora as interações entre polímeros sintéticos e biomoléculas, com foco em quatro principais vertentes combinando polímeros e biomoléculas: (1) desenvolvimento de dispositivos biomédicos, como scaffolds para engenharia tecidual; (2) nanocarreadores para entrega de medicamentos, (3) dispositivos para imitar funções de células eucarióticas, como polimerossomas (4) coacervados. Visando a síntese de copolímeros para aplicações biomédicas, um copoliéster insaturado, poli(globalide-co-?-pentadecalactona) (PGlPDL) foi desenvolvido por meio de polimerização em solução catalisada por enzimas. A caracterização do copolímero revelou sua adequação para o design de suportes, particularmente para regeneração óssea. A funcionalização com cisteína e a subsequente bioconjugação com colágeno melhoraram significativamente as propriedades do suporte, resultando em um aumento de 85% na viabilidade celular e 75% na mineralização com pré-osteoblastos. O papel da água na síntese de PGlPDL, foi determinado comparando a polimerização em solução e em miniemulsão. A polimerização em miniemulsão produziu polímeros com pesos moleculares mais baixos, promissores para aplicações de nanocarreadores devido à sua baixa cristalinidade. Duas estratégias de bioconjugação com ácido fólico foram desenvolvidas para entrega direcionada de medicamentos, incorporando com sucesso biomoléculas nas superfícies das nanopartículas. No contexto da biologia sintética, avaliamos a interação de peptídeos de cadeia curta com o copolímero anfifílico PB22-b-PEO14 por meio da criação de polimerossomas contendo o tripeptídeo fenilalanina-fenilalanina-metionina encapsulado em seu interior. As interações supramoleculares entre o copolímero anfifílico e o peptídeo levaram a uma auto divisão dinâmica dos polimerosomas, formando protocélulas multi-compartimentalizadas em resposta a estímulos citosólicos, aumentando seu potencial em aplicações biotecnológicas. Finalmente, nanopartículas de PGlPDL bioconjugadas com ácido fólico, combinadas com um par de polieletrólitos, foram empregadas na montagem de coacervados multivacuolados que imitam modelos de protocélulas multicompartimentalizadas. O processo foi responsivo a mudanças ambientais, e o transporte molecular foi regulado pela quantidade de nanopartículas anfifílicas bioconjugadas empregadas no sistema, sugerindo aplicações em entrega direcionada de medicamentos. Ao explorar diferentes interações entre polímeros e biomoléculas, esta pesquisa integra química de polímeros e bioquímica, estabelecendo uma plataforma de biomateriais versátil que avança a engenharia biomédica e que pode contribuir com insights sobre processos biotecnológicos que emulam sistemas semelhantes a células.

Abstract: The integration of polymer chemistry and biochemistry has become a focal point in advancing biomaterials for biomedical applications. Synthetic polymers have been deeply investigated as building blocks to develop biomaterials for tissue engineering applications, nanocarriers to specific targeted delivery, and to assemble synthetic protocells, such as polymersomes and coacervates. In synthetic biology, polymers-derived protocells have inspired biotechnological and other biomedical applications. Synthetic polymers arose as valuable tools in mimic the behavior of biological components. This work explores the interactions between synthetic polymers and biomolecules, focusing on the development of biomedical devices such as scaffolds for tissue engineering and nanocarriers for drug delivery, as well as mimicking eukaryotic cell functions through the assembly of polymersomes and coacervates. We synthesized a new unsaturated copolyester, poly(globalide-co-?-pentadecalactone) (PGlPDL), via enzyme-catalyzed ring opening polymerization in solution. Characterization of the copolymer revealed its suitability for scaffold design, particularly for bone regeneration. Functionalization with cysteine and subsequent collagen bioconjugation significantly improved scaffold properties, resulting in an 85% increase in cell viability and a 75% increase in mineralization with pre-osteoblasts. Additionally, we investigated the role of water in PGlPDL synthesis by comparing solution and miniemulsion polymerization. Miniemulsion polymerization produced polymers with lower molecular weights, which are promising for nanocarrier applications due to their low crystallinity. Two folic acid bioconjugation strategies were developed for targeted drug delivery, successfully incorporating biomolecules onto nanoparticle surfaces. Later on, the interaction between short-chain peptides and the diblock copolymer PB22-b-PEO14 was evaluated through the creation of polymersomes containing the encapsulated tripeptide phenylalanine-phenylalanine-methionine. Supramolecular interactions between the amphiphilic copolymer and the peptide led to a dynamic polymersome self division, forming multi-compartmentalized protocells in response to cytosolic stimuli, enhancing their potential in biotechnological applications. Finally, folic acid bioconjugated PGlPDL nanoparticles combined with a polyelectrolyte pair was employed to assemble of multivacuolated coacervates that mimic multicompartmentalized protocell models. The process was responsive to environmental changes and the molecular transport was regulated by the amount of bioconjugated amphiphilic nanoparticles employed in the system, suggesting applications in targeted drug delivery. By exploring different interactions between polymers and biomolecules, this research integrates polymer chemistry and biochemistry, establishing a versatile biomaterial platform that advances biomedical engineering and provides insights into biotechnological processes that emulate cell-like systems.