Os sistemas biológicos são verdadeiramente representativos de um fenômeno macroscópico complexo, sendo agudamente controlado por redes microscópicas de reação química. Enquanto os cientistas procuram criar um material adaptável e responsivo natural, a pesquisa se intensificou em mímicas sintéticas de processos biológicos rudimentares.

Um desses processos biológicos é o crescimento controlado das proteínas do citoesqueleto. Além de atuar como um nanoesqueleto para manter a forma celular, conjuntos dessas proteínas são responsáveis ​​por distribuir nutrientes dentro de uma célula. Assim, eles controlam quase todos os processos importantes dentro da célula, da divisão à distribuição de forças. Seria seguro presumir que as vias de controle de montagem dessas proteínas são um contribuidor chave no comportamento adaptativo e responsivo de uma célula. A parte principal desse processo é um sistema metabólico alimentado por ATP que programa a taxa de crescimento e decadência desses conjuntos de uma maneira relacionada ao tempo. O controle próximo também é mantido sobre o tamanho desses conjuntos, pois o tamanho se relaciona diretamente com a eficácia funcional de um sistema.

Em um estudo publicado recentemente em Nature Communications , cientistas do Centro de Ciência e Pesquisa Avançada de Jawaharlal Nehru (JNCASR) e do Instituto de Biologia de Células Tronco e Medicina Regenerativa (inStem) criaram uma imitação sintética minimalista de redes citoesqueléticas com programação estrutural e temporal. O trabalho se concentra no crescimento controlado impulsionado por reação de um sistema molecular monomérico de dois componentes.

"Este sistema monomérico sintético é elegantemente projetado de modo a dar origem a uma reação primária que converteria um sistema monomérico inativo (sem montagem) em um ativo (que desencadeia a montagem) mediante adição de alquilaminas (combustível), "disse o Dr. Subi George, professor associado do JNCASR.

Eles mostram que essa reação pode ser usada para controlar com precisão o crescimento unidimensional (nanofibras) de montagens resultantes por meio da disponibilidade controlada de combustível. O crescimento dessas estruturas nanofibrosas é impulsionado por interações intermoleculares muito fracas (polimerização supramolecular), como reações hidrofóbicas semelhantes a bicamadas lipídicas em membranas e interações aromáticas semelhantes ao empilhamento de nucleobases no DNA, e, portanto, são altamente dinâmicos e têm características de autorreparação, como muitos conjuntos biológicos.

"Enquanto os sistemas biológicos modulam elegantemente a automontagem com grande precisão, transmitir propriedades de polimerização transientes e vivas em anfifílicos químicos tem sido uma tarefa desanimadora até agora. O projeto de um anfifílico formador in-situ nos permitiu estudar as estruturas dinâmicas montadas à vontade, "disse o Dr. Praveen Kumar Vemula.

Por meio de análises espectroscópicas e microscópicas detalhadas, eles estabeleceram este crescimento para ser "vivo" na natureza, resultando em montagens com distribuição de tamanho muito estreita (monodispersa). O sistema foi desenvolvido combinando o crescimento com cenários químicos exclusivamente escolhidos, de modo que o controle sobre o crescimento e a cinética de desmontagem fossem estabelecidos. Como resultado, uma rede transitória de conjuntos fibrosos programada no tempo foi realizada. Em ambos os casos, a manipulação das principais características temporais foi de alguns segundos a milhares de segundos. Este estudo representa, portanto, uma etapa fundamental no desenvolvimento de adaptativos, realistas, materiais supramoleculares.

"Nós temos, pela primeira vez, demonstraram que todas as características temporais de polimerização supramolecular podem ser quimicamente controladas e ainda acopladas a outras reações participantes semelhantes a um sistema biológico, "disse Ankit Jain, autor principal do artigo.

"Controlar as nanoarquiteturas automontadas usando estímulos como enzimas e pH tem sido fascinante, "diz Ashish Dhayani, autor do artigo.

"Este trabalho é um avanço significativo para projetar sistemas ativos bio-miméticos operando sob condições fora de equilíbrio, com programação espaço-temporal em comparação com a maioria dos sistemas passivos sintéticos relatados até agora, que funcionam em equilíbrio termodinâmico com complexidade apenas espacial, "disse Shikha Dhiman, co-autor do artigo.

O próximo desafio é construir sistemas sintéticos semelhantes à vida que podem pensar, aprender e se adaptar como os seres vivos fazem. Este estudo é uma dessas etapas iniciais, mas ainda há muita investigação necessária para emular totalmente os processos naturais. A equipe espera aplicar esse princípio e usar essas nanoarquiteturas de automontagem dinâmica em sistemas biológicos.