Instantâneos de uma simulação revelando o mecanismo pelo qual a helicase do vírus da hepatite C quebra as fitas duplas de DNA. Os dois domínios motores caminham ao longo da cadeia superior empregando o mecanismo de translocação da lagarta. O terceiro domínio atua como uma cunha separando mecanicamente o duplex (da Fig. 14). Crédito:Kanazawa University
A célula viva pode ser vista como uma fábrica onde as máquinas de proteína são responsáveis por vários processos, como o transporte de material dentro da célula ou operações com outras macromoléculas como o DNA. Sua operação é normalmente alimentada por moléculas de ATP, o principal transportador de energia nas células biológicas. A energia química obtida por meio da hidrólise do ATP é usada por uma máquina de proteína para mudar ciclicamente sua forma e, assim, desempenhar uma função específica. Portanto, resolver mudanças conformacionais funcionais em proteínas é um grande desafio, com fundamental importância para a compreensão e controle de motores e máquinas biológicas de uma única molécula.
A complexidade das interações entre os átomos em uma máquina de proteína é tão alta que mesmo os melhores supercomputadores do mundo não conseguem reproduzir apenas um de seus ciclos de operação. Neste artigo de revisão, no entanto, é demonstrado que aspectos essenciais da operação de tais nanodispositivos naturais podem já ser revelados pela exploração de modelos mecânicos muito simples de proteínas, isto é, tratando tais macromoléculas como redes elásticas obtidas conectando partículas com um conjunto de molas elásticas.
Os autores, o professor Alexander Mikhailov e o professor assistente Holger Flechsig do Nano Life Science Institute da Kanazawa University, no Japão, argumentam que redes elásticas correspondentes a máquinas de proteína com dinâmica funcional têm propriedades especiais, surgiu no processo de evolução biológica. Apesar de uma aparente complexidade, movimentos internos em tais sistemas procedem de maneira ordenada, como se guiados ao longo de trilhos ocultos. Assim, uma máquina molecular se comporta de forma semelhante a dispositivos mecânicos macroscópicos com movimentos altamente coordenados de suas partes. Isso garante que a fábrica de celulares possa funcionar de forma robusta, apesar das fortes flutuações presentes em nanoescalas.
Estruturas semelhantes a proteínas artificiais obtidas por em sílico evolução. (A) Um modelo de máquina de proteína em uma membrana biológica (da Fig. 11). (B) Vias de comunicação em uma estrutura alostérica projetada (da Ref. 34). Crédito:Kanazawa University
Usando essa abordagem, simulações cobrindo ciclos inteiros de operação puderam ser realizadas e os primeiros filmes moleculares de máquinas de proteína foram obtidos. Como um exemplo, A Fig.1 da publicação original de 2010 pelos autores mostra como a proteína motora helicase do vírus da hepatite C - uma parte principal de sua máquina de replicação e um importante alvo farmacológico para drogas antivirais - se move ativamente ao longo do DNA e o descompacta mecanicamente.
Além disso, estruturas semelhantes a proteínas artificiais com propriedades de máquina poderiam ser projetadas executando uma evolução computacional de redes elásticas. Na Fig. 2, dois exemplos são mostrados, uma máquina modelo projetada operando dentro de uma membrana biológica, e uma máquina que exibe comunicação alostérica.
Este artigo de revisão apresenta uma nova perspectiva na compreensão da complexa maquinaria das células biológicas. Ele também abre caminho para novas abordagens no projeto de nanomáquinas artificiais - uma tarefa de grande potencial para futuras aplicações biotecnológicas.
