Em organismos superiores, células e organelas são rodeadas por uma membrana, que desempenha um papel crucial não apenas na criação de uma barreira do ambiente externo, mas também na mediação da troca de fluidos, eletrólitos, proteínas, e outros materiais úteis. Usualmente, essas membranas são compostas por camadas repelentes de água formadas por moléculas de lipídios, com várias proteínas 'transmembrana' embutidas nesta folha de dupla camada. Essas proteínas são montadas de tal forma que criam 'portas' ou 'canais' únicos que se abrem e fecham em resposta a moléculas ou íons seletivos sob condições específicas. Essas propriedades de seletividade e capacidade de detecção de uma membrana biológica vêm de sua estrutura sofisticada, e, juntos, eles tornam essas membranas um modelo atraente para a síntese de novos materiais usados ​​para desenvolver dispositivos avançados de detecção e separação. Contudo, desenvolver artificialmente tais conjuntos moleculares - que podem se montar em uma membrana em uma orientação funcionalmente ativa - permaneceu um desafio até agora.

Avançando na pesquisa de moléculas artificiais, em um estudo publicado em Nature Communications , cientistas da Tokyo Tech desenvolveram um canal sintético que pode imitar a atividade de transporte de íons dos canais de íons naturais. Prof Kazushi Kinbara e Prof Takahiro Muraoka, os co-autores do estudo, explique, "Um grande obstáculo que limita a aplicação de moléculas transmembrana artificiais é alcançar a orientação funcionalmente ativa. Tentamos criar uma molécula transmembrana que superaria essa dificuldade."

Para atingir esse objetivo, os cientistas se concentraram na estrutura de um canal iônico biológico que atravessa a membrana várias vezes, e usou-o como base para projetar duas moléculas artificiais. Essas moléculas eram compostas por blocos estruturais repelentes de água, chamada unidade BPO, e partes solúveis em água chamadas cadeias de oligoetilenoglicol. Essas características estruturais conferem a essas moléculas artificiais a capacidade de se autoagregar quando embutidas em membranas. As moléculas também continham grupos fosfato que as ajudaram a obter a orientação correta através das membranas.

Próximo, os cientistas se concentraram em uma das duas moléculas, para analisar suas propriedades estruturais. Eles observaram que quando moléculas de 'ligante' semelhantes a iscas adequadas foram adicionadas a uma solução contendo a molécula artificial, eles se ligaram com sucesso à estrutura - confirmando que a estrutura estava de fato funcionalmente ativa. Além disso, quando essas moléculas foram introduzidas em uma membrana pré-formada, eles podiam se inserir e se orientar na membrana por conta própria. Na presença dos ligantes específicos, as macromoléculas embutidas na membrana mudaram suas estruturas e transportaram íons, incluindo lítio, potássio, e íons de sódio. Como a molécula sintética mostrou resultados promissores com membranas artificiais, os cientistas então o testaram em células vivas. Usando uma técnica chamada microscopia de fluorescência, eles observaram que a macromolécula apresentava as mesmas propriedades funcionais, incluindo ligação diferencial de ligante e atividades reguladas de transporte de íons, em membranas biológicas também!

Tomados em conjunto, o estudo mostra como uma molécula projetada artificialmente pode se automontar, localizar, orientar, e imitar o processo de transporte biológico de íons. Essas descobertas podem potencialmente estimular avanços no campo da regulação biomimética. Os autores concluem com otimismo, "Os resultados promissores de nosso estudo abordaram uma limitação persistente que bloqueou a maneira de usar proteínas de membrana biomiméticas artificiais em campos aplicados."