Se o advento dos computadores lançou a Era da Informação, a capacidade de projetar máquinas minúsculas a partir de moléculas pode definir as próximas décadas.

Em um testemunho do rápido avanço da nanotecnologia, o Prêmio Nobel de Química de 2016 foi concedido a cientistas que construíram as primeiras máquinas moleculares sintéticas do mundo interligando moléculas individuais em dispositivos capazes de movimento mecânico.

Agora, uma descoberta de cientistas da Universidade de Princeton, relatado em 2 de agosto no Jornal da American Chemical Society , demonstra que os humanos não têm o monopólio de construir as menores máquinas do mundo. Os pesquisadores de Princeton encontraram uma molécula bacteriana em forma de laço capaz de alterar sua configuração quando exposta ao calor, uma capacidade de mudança de forma semelhante à usada para operar certas máquinas moleculares sintéticas. O laço é um tipo de cadeia molecular conhecida como peptídeo.

"A descoberta deste peptídeo laço, que chamamos de benenodin-1, demonstra que podemos olhar para a biologia, bem como para a engenharia de material de origem no desenvolvimento de dispositivos moleculares, "disse A. James Link, um professor associado de engenharia química e biológica em Princeton que foi o autor sênior do artigo.

Embora as aplicações ainda sejam especulativas, os usos potenciais para máquinas moleculares são enormes, abrangendo tudo, desde microrrobôs que distribuem drogas no corpo humano a novos tipos de materiais que se adaptam em tempo real às mudanças ambientais, como flutuações de calor, luz ou umidade.

Os primeiros grandes avanços na construção de máquinas moleculares ocorreram na década de 1980, quando o químico Jean-Pierre Sauvage foi capaz de construir moléculas mecanicamente conectadas ligando dois anéis moleculares. Isso contrastava com a técnica clássica de conectar moléculas por meio de ligações covalentes, uma ligação química na qual as moléculas se fixam ao compartilhar elétrons.

No início da década de 1990, outro cientista, Fraser Stoddart, criou uma nova estrutura, chamado de rotaxano, enfiando uma haste molecular através de um anel de moléculas e prendendo-a no lugar. O anel pode se mover para cima e para baixo na haste, mas não caía devido às rolhas que Stoddart colocava em cada extremidade da haste. Desde seu advento, rotaxanos foram usados ​​para criar um elevador em nanoescala, um músculo artificial e até um minúsculo computador. Sauvage e Stoddart compartilharam o Prêmio Nobel de Química de 2016 com outro cientista, Bernard Feringa, que construiu motores moleculares, incluindo um capaz de girar uma minúscula haste de vidro de 10, 000 maior do que a própria máquina.

Enquanto as máquinas moleculares construídas por Sauvage, Stoddart e Feringa foram sintetizados em laboratórios, Link e seus colegas de Princeton buscaram na natureza inspiração na nanoengenharia.

A equipe de Link desenvolveu métodos para pesquisar as sequências de DNA de organismos em busca de evidências de que eles podem produzir peptídeos. Como seus primos maiores, proteínas, os peptídeos são cadeias de aminoácidos ligados.

Em particular, Link se concentrou na descoberta de peptídeos de laço, uma classe de moléculas diferenciadas por uma forma semelhante a um nó corrediço, onde uma longa seção de "cauda" da molécula cutuca uma seção de "anel". O nome para essa classe de peptídeos deriva da semelhança em sua estrutura e a dos nós do laço usados ​​nos lassos cowboys. Sua estrutura torna os peptídeos de laço altamente estáveis, uma importante característica biológica. Mantidos juntos por meio de ligações mecânicas, os peptídeos de laço também se assemelham às estruturas de rotaxano em anel e haste de Stoddart, e, portanto, são classificados como rotaxanos.

Alguns peptídeos de laço têm propriedades antimicrobianas e podem representar um novo tipo de antibióticos, uma área que o laboratório de Link está explorando. A estrutura do rotaxano dos peptídeos também os torna possíveis candidatos para a construção de máquinas moleculares.

A equipe de Princeton descobriu o peptídeo laço benenodin-1 enquanto explorava o DNA de Asticcacaulis benevestitus, uma proteobactéria do solo dos montes Urais da Rússia. Quando exposto ao calor, muitos peptídeos de laço de ocorrência natural ficam sem rosca, com a cauda da molécula escorregando para fora do anel. Quando os pesquisadores de Princeton expuseram o benenodin-1 ao calor, eles ficaram surpresos ao descobrir que a forma da molécula mudou, mas manteve sua confirmação do nó corrediço.

"Essa capacidade de mudar de forma sem desenroscar é intrigante, "disse Link." Ambas as conformações mantêm a estrutura do rotaxano, o que o torna o primeiro exemplo de um comutável, molécula mecanicamente interligada encontrada na natureza. "

"Isso levanta questões sobre se há uma explicação evolutiva para esse comportamento e se outras moléculas de comutação podem existir na natureza, " ele disse.

Link e seus colegas também encontraram outras mudanças intrigantes no comportamento químico da benenodina-1 que foram desencadeadas pelo calor. Antes da exposição ao calor, o peptídeo laço pode ser picado por uma enzima chamada benenodin-1 isopeptidase. Mas depois que o aquecimento mudou o peptídeo laço em sua nova configuração, não era mais afetado pela enzima.

Link disse que essa diferença em como as funções da enzima sob diferentes temperaturas pode se traduzir em mudanças na função biológica, um fenômeno que pode desempenhar um papel na forma como as mudanças climáticas impactam as comunidades microbianas do solo.

A equipe de Princeton planeja explorar se a propriedade de comutação da benenodina-1 pode ser usada em aplicações práticas, como a ligação de poluentes metálicos para ajudar na limpeza ambiental.

O peptídeo também pode fornecer uma fonte natural para os blocos de construção de nanoestruturas em que dois anéis moleculares estão fisicamente ligados. Os pesquisadores estão explorando se essas nanoestruturas poderiam ser usadas para construir sensores e dispositivos eletrônicos moleculares. Por exemplo, eles podem ser usados ​​como sensores térmicos que indicam quando um pacote de materiais termicamente sensíveis, como medicamentos, foi exposto ao calor.

"A descoberta desta propriedade de comutação natural em um peptídeo de laço abre muitos novos caminhos para a pesquisa, de explorar a evolução de peptídeos e enzimas, ao uso de produtos naturais em nanotecnologia, "Link disse.