Entre o zoológico de biomoléculas essenciais à vida, as proteínas são as mais variadas e versáteis.

Essas estruturas complexas, gerado a partir do código do DNA e construído a partir de cerca de 20 aminoácidos desempenham um papel central em inúmeros processos vitais. Na forma de anticorpos, as proteínas defendem os organismos de agentes infecciosos como bactérias e vírus. Como enzimas, as moléculas de proteína aceleram as reações químicas necessárias para sustentar a vida. As proteínas também atuam como mensageiros que coordenam atividades de comunicação díspares entre as células.

Embora as proteínas tenham sido o foco de intenso estudo, os pesquisadores ainda têm muito a aprender sobre essas moléculas enigmáticas que se automontam em elaboradas formas 3-D; particularmente seus papéis sutis na saúde e na doença.

Em um novo estudo, Stuart Lindsay e seus colegas da Arizona State University exploram uma propriedade surpreendente das proteínas - que só recentemente veio à tona. Em pesquisas que aparecem no Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) , o grupo demonstra condutância elétrica por meio de proteínas posicionadas entre um par de eletrodos.

Eles mostram ainda que tal condutância ocorre apenas em condições altamente específicas, quando os contatos que conectam as moléculas de proteína a seus eletrodos são compostos exatamente da molécula que a proteína evoluiu para se ligar. Isso fornece uma receita para conectar proteínas em circuitos elétricos.

"Se você tivesse me dito que as proteínas seriam bons elementos de circuito há 5 anos, Eu teria rido de você, isso é ridículo, "Lindsay diz. Seu ceticismo, no entanto, logo deu lugar à surpresa:"Descobrimos há alguns anos que uma proteína envolvida na colagem de células, sem função elétrica conhecida, conduzido como um belo fio se conectado a eletrodos pelo pequeno pedaço de proteína que evoluiu para reconhecer. Este era um grande mistério para nós, e o presente estudo foi desenhado para ver se esta era uma propriedade geral de alguma proteína selecionada aleatoriamente. Acontece que é verdade:todas as proteínas que experimentamos, conectado a eletrodos por meio de moléculas específicas que reconhecem, fazem fios moleculares quase perfeitos, embora estejamos longe de entender por que isso acontece. "

Eu canto o corpo elétrico

O fluxo de elétrons através dos sistemas biológicos constituem algumas das reações mais importantes da Natureza, essencial para os processos de conversão de energia que vão desde a respiração e metabolismo até a fotossíntese. Embora o básico seja compreendido, métodos sofisticados são necessários para descobrir os detalhes finos e muitos quebra-cabeças permanecem.

No novo estudo, os pesquisadores fizeram medições eletrônicas diretas de moléculas de proteína única, que têm sido tradicionalmente considerados isolantes elétricos. As medições foram feitas usando um microscópio de tunelamento de varredura, um instrumento com uma sonda muito fina, capaz de tocar apenas uma molécula.

A molécula inicial de escolha é conhecida como integrina - uma proteína ubíqua que as células usam para anexar seu citoesqueleto à matriz extracelular. Uma integrina evoluiu para reconhecer um pequeno peptídeo específico (pequeno pedaço de proteína) agindo como um condutor forte, enquanto uma integrina variante, não evoluiu para reconhecer aquele peptídeo específico, agiu como um isolante. Tendo identificado a integrina como um condutor forte nas condições certas, o grupo iniciou a busca por outras proteínas capazes de condutância, olhando particularmente para proteínas que não têm papel conhecido na transferência de elétrons.

Em tudo, seis proteínas foram selecionadas para o estudo de condutância. Nenhum foi capaz de gerar corrente eletroquímica, deixando a condução eletrônica como o único meio de condução elétrica. Quando as moléculas foram amarradas a uma superfície em seu nativo, ambiente aquoso, e por meio de moléculas as proteínas reconhecidas especificamente, condutividade elétrica foi observada.

Essa condutividade era mais alta quando dois contatos específicos eram feitos - por exemplo, usando um anticorpo que tem dois locais para se ligar à sua proteína alvo. Quando os anticorpos foram cortados pela metade, então apenas um contato específico foi feito, a condutividade caiu dramaticamente. Algumas das moléculas de anticorpo utilizadas no estudo foram desenvolvidas e sintetizadas no laboratório do co-autor Qiang "Shawn" Chen, no Biodesign Center for Immunotherapy, Vacinas e viroterapia, usando sistemas de expressão de plantas rápidos e flexíveis.

A vida secreta das proteínas

As implicações desses resultados são significativas porque permitem grande especificidade na detecção de moléculas individuais, e porque fornecem uma receita para conectar proteínas em um circuito elétrico onde podem ser usadas como sensores químicos sensíveis. Usando a técnica, anticorpos individuais podem ser detectados eletricamente quando se ligam a um epítopo de peptídeo amarrado a eletrodos. Onde não ocorre ligação, o sinal será zero, sem vazamento elétrico de fundo no circuito, em contraste com os ensaios de fluorescência comumente usados ​​(ELISA) que sofrem de sinais de fundo indesejados.

Como o estudo demonstra, quebrar um braço do epítopo em forma de Y causou um menor nível de condutância através da molécula, produzindo picos de condutância mais baixos. Como explica Lindsay:"Um local de ligação é suficiente, but the best circuits are made with two specific binding sites. Once you're armed with that knowledge it's like being told how to use a piece of electronic design software to make protein circuits." Lindsay's group is currently working on a variety of systems leveraging this approach.

Lindsay, who directs the Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics, has been performing elaborate tricks with individual molecules for much of his career. The study of subtle events occurring at the nanoscale has important implications for chemistry, biologia, physics, materials science, Engenharia, e outros campos. At this tiny scale, ghostly effects associated with the quantum realm become key ingredients governing physical behavior.

Lindsay holds the Edward and Nadine Carson Presidential Chair in Physics, and is also professor in the School of Molecular Sciences at Arizona State University.

On the horizon, a chip-based version of the technology could beam individual protein information to a computer for analysis, making the promise of truly personalized medicine a reality. "The next steps will be actually making some of the protein-based machines that will serve very useful functions in medicine and analytical chemistry, " Lindsay says. "The technology is very powerful."