Os organismos vivos monitorizam o tempo – e reagem a ele – de muitas maneiras diferentes, desde a detecção de luz e som em microssegundos até à resposta fisiológica de formas pré-programadas, através do seu ciclo diário de sono, ciclo menstrual mensal ou às mudanças nas estações.
Essa capacidade de reagir em diferentes escalas de tempo é possível através de interruptores moleculares ou nanomáquinas que atuam ou se comunicam como temporizadores moleculares precisos, programados para ligar e desligar em resposta ao ambiente e ao tempo.
Agora, em novas pesquisas, cientistas da Universidade de Montreal recriaram e validaram com sucesso dois mecanismos distintos que podem programar as taxas de ativação e desativação de nanomáquinas em organismos vivos em múltiplas escalas de tempo.
Suas descobertas são publicadas no Jornal da Sociedade Química Americana. A sua descoberta sugere como os engenheiros podem explorar processos naturais para melhorar a nanomedicina e outras tecnologias, ao mesmo tempo que ajudam a explicar como a vida evoluiu.
A analogia da porta
Interruptores biomoleculares ou nanomáquinas, normalmente feitos de proteínas ou ácidos nucleicos, são os porcas e os parafusos da maquinaria da vida. Eles desempenham milhares de funções-chave, incluindo reações químicas, transporte de moléculas, armazenamento de energia e possibilitam movimento e crescimento.
Mas como essas opções evoluíram para serem ativadas em diferentes escalas de tempo? Essa é uma questão-chave que há muito fascina os químicos, e desde o trabalho pioneiro de Monod-Wyman-Changeux e Koshland-Nemethy-Filmer na década de 1960, presume-se que dois mecanismos populares controlam a ativação de interruptores biomoleculares.
“A analogia de uma porta é conveniente para ilustrar esses dois mecanismos”, disse Alexis Vallée-Bélisle, professor de química da UdeM, investigador principal do novo estudo.
“A porta fechada representa a estrutura inativa do interruptor ou nanomáquina, enquanto a porta aberta representa sua estrutura ativa. São as interações entre o interruptor e sua molécula ativadora, como a luz ou uma molécula, que determinam o tipo de mecanismo de ativação.”
“No mecanismo de ajuste induzido, a molécula ativadora, ou pessoa, agarra a maçaneta da porta fechada, que fornece energia para uma abertura rápida”, explicou Vallée-Bélisle. “No mecanismo de seleção conformacional, a molécula ativadora precisa esperar que a porta se abra espontaneamente antes de poder interagir e bloqueá-la mais tarde na estrutura aberta.”
Embora estes dois mecanismos tenham sido observados em muitas proteínas, só recentemente os cientistas perceberam que estes mecanismos também poderiam ser empregados para projetar nanossistemas melhores.
Usando DNA para construir uma nanoporta
Para desvendar o mistério por trás desses dois mecanismos e de seu funcionamento, os pesquisadores recriaram com sucesso uma simples “porta” molecular usando DNA. Embora o DNA seja mais conhecido pela sua capacidade de codificar o código genético dos organismos vivos, vários bioengenheiros também começaram a usar a sua química simples para fabricar objetos em nanoescala.
“Comparado à proteína, o DNA é uma molécula altamente programável e versátil”, disse Dominic Lauzon, pesquisador associado em química da UdeM e coautor do novo estudo. “É como os blocos químicos de Lego que nos permitem construir tudo o que temos em mente em nanoescala.”
Mil vezes mais rápido
Usando DNA, os cientistas da UdeM criaram uma “porta” de 5 nanômetros de largura que pode ser ativada através de dois mecanismos distintos usando a mesma molécula ativadora. Isso permitiu que os pesquisadores comparassem os dois mecanismos de comutação diretamente na mesma base, testando seus princípios de design e capacidade de programação.
Eles descobriram que o interruptor da “maçaneta da porta” (ajuste induzido) é ativado e desativado mil vezes mais rápido porque a molécula ativadora fornece a energia para acelerar a abertura da porta. Por outro lado, a chave muito mais lenta sem maçaneta (seleção conformacional) pode ser programada para abrir em taxas muito mais lentas simplesmente aumentando a força das interações que mantêm a porta fechada.
“Descobrimos que podemos de fato programar as taxas de ativação de horas para segundos simplesmente projetando alças moleculares”, explicou o primeiro autor Carl Prévost-Tremblay, um estudante de pós-graduação em bioquímica.
“Também pensamos que esta capacidade de programar a taxa de ativação de interruptores e nanomáquinas poderia encontrar muitas aplicações em nanotecnologia, onde eventos químicos precisam ser programados em momentos específicos.”
Rumo a uma nova tecnologia de distribuição de medicamentos
Um campo que se beneficiaria drasticamente com o desenvolvimento de nanossistemas que ativam e desativam em taxas diferentes é a nanomedicina, que visa desenvolver sistemas de administração de medicamentos com taxas de liberação de medicamentos programáveis.
Isso ajudaria a minimizar a frequência com que um paciente toma um medicamento e ajudaria a manter a concentração correta do medicamento no corpo durante o tratamento.
Para demonstrar a elevada programabilidade de ambos os mecanismos, os investigadores conceberam e testaram um transportador de medicamentos antimaláricos que pode libertar o seu medicamento a qualquer taxa programada.
“Ao projetar um identificador molecular, desenvolvemos um transportador que permite a liberação rápida e imediata do medicamento através da simples adição de uma molécula ativadora”, disse o estudante de mestrado em engenharia biomédica Achille Vigneault, também autor do estudo. “E na ausência de uma alça, também desenvolvemos um transportador que fornece uma liberação lenta e contínua programável do medicamento após sua ativação”.
Estes resultados também desmistificam os distintos papéis evolutivos e as vantagens dos dois mecanismos de sinalização, e explicam por que algumas proteínas evoluíram para serem ativadas através de um mecanismo em detrimento do outro, disseram os cientistas.
“Por exemplo, os receptores celulares que requerem ativação rápida para detectar luz ou sentir odores provavelmente se beneficiam de um mecanismo de ajuste induzido rápido”, disse Vallée-Bélisle, “enquanto processos que duram semanas, como a inibição da protease, se beneficiam definitivamente da conformação conformacional mais lenta mecanismo de seleção.”
Sobre este estudo
“Programando a cinética da comunicação química: ajuste induzido vs seleção conformacional”, por Carl Prévost-Tremblay, Achille Vigneault, Dominic Lauzon e Alexis Vallée-Bélisle, foi publicado em 19 de dezembro de 2024 no Journal of the American Chemical Society. O financiamento foi fornecido pelo Conselho Nacional de Pesquisa em Ciências e Engenharia do Canadá, pelo programa Canada Analysis Chairs, Les Fonds de recherche du Québec – Nature et Applied sciences e pela rede PROTEO.
