p Prótons são partículas subatômicas com carga elétrica positiva. A translocação de prótons desempenha um papel significativo nos fenômenos naturais e nas tecnologias feitas pelo homem. Mas continua sendo um desafio controlar a condução e fabricação de prótons em biomateriais e dispositivos. Em um novo relatório, Chao Ma e uma equipe interdisciplinar de cientistas na China, Os Países Baixos, e Alemanha, materiais constituintes de proteínas condutoras de prótons racionalmente projetados que excederam os sistemas proteicos relatados anteriormente (consistindo em ou contendo proteínas). Eles desenvolveram as estruturas por meio da exploração passo a passo de sequências de peptídeos de bobinas intrinsecamente desordenadas a quimeras de polipeptídeos com sobrecarga de proteína. O novo paradigma de design oferece potencial para a fabricação de dispositivos bioprotônicos nas interfaces de sistemas artificiais e biológicos, os resultados são publicados em Avanços da Ciência . p A condução de prótons é responsável por processos fundamentais em biologia, incluindo bioluminescência, a síntese de adenosina 5'-trifosfato (ATP) e a translocação de prótons desencadeada pela luz. Bioengenheiros e cientistas de materiais já haviam desenvolvido vários materiais sintéticos com comportamento de translocação de prótons, incluindo sistemas híbridos, embora suas deficiências tenham impedido os campos da bioeletrônica e da biotecnologia. Para desenvolver biomateriais dedicados à condução de prótons, os cientistas devem explorar estruturas e sequências para seu comportamento condutor de prótons intrínseco. Durante estados hidratados, prótons podem ser transportados através de moléculas de água ao longo de uma rede de ligações adjacentes em um mecanismo conhecido como salto de prótons, que é usado como um modelo para projetar estruturas condutoras de prótons de novo (ou seja, do zero). Nesse trabalho, Ma et al. desenvolveu um passo a passo, membrana condutora de prótons à base de proteína com um conjunto de polipeptídeos aniônicos supercarregados (SUPs) contendo resíduos de ácido glutâmico.

p Desenvolvimento de materiais protéicos condutores de prótons

p Na estrutura polipeptídica da membrana condutora de prótons, as porções carregadas hidrofílicas (que gostam de água) serviram como transportadores de prótons. A equipe estudou o desempenho de condução de prótons desses sistemas desdobrados para obter membranas autônomas e aperfeiçoou o projeto estrutural amalgamando estruturas de folha β semelhantes a seda com SUPs aniônicos para formar nanoestruturas automontadas. A equipe decorou as superfícies com densos grupos de ácido carboxílico para hidratação, dissociação de prótons e para formar vias de condução de prótons. A membrana mecanicamente estável e independente ultrapassou as propriedades de transporte relatadas até agora de sistemas baseados em proteínas para excelente condutividade de prótons.

p A equipe derivou as proteínas supercarregadas da elastina; explorado anteriormente para aplicações de engenharia de proteínas e modificação de interface. Eles introduziram o ácido glutâmico (abreviado como Glu ou E), que pode ser facilmente desprotonado sob condições fisiológicas no local X da sequência da proteína, para formar polipeptídeos sobrecarregados negativamente não estruturados (SUP-Es). Em seguida, eles construíram três variantes diferentes de polipeptídeos sobrecarregados conhecidos como E72, HC_E35 e DC_E108. Ma et al. usaram espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) com eletrodos interdigitados de ouro (IDEs) para avaliar a condução de prótons em filme fino e o transporte de prótons medido em função da umidade relativa. Quando a umidade aumentou para 90 por cento, a translocação de prótons melhorou devido à absorção de um grande número de moléculas de água por meio dos grupos de ácido carboxílico (-COOH) do material. Além da umidade relativa, eles também investigaram a condução de prótons em relação à densidade de portadores de carga para os espécimes de interesse. Ao ajustar a densidade de carga das proteínas desordenadas, Ma et al. controlou com sucesso o comportamento de condutância de prótons de proteínas dentro de filmes. Devido à alta estabilidade e uniformidade dos filmes finos feitos de SUPs, a configuração não apresentava sinais de defeitos.

p Estrutura protéica dobrada e desenvolvimento spider-E

p Ma et al. em seguida, estudou estruturas de proteína nanométrica dobradas e equipou as estruturas em nanoescala com ácido carboxílico na superfície - semelhante aos SUPs. Usando difração de raios-X, eles investigaram informações estruturais dentro das amostras de proteínas supercharged para obter assinaturas distintas de seus domínios estruturais, para mostrar como componentes nanoestruturados podem facilitar a translocação de prótons. O trabalho permitiu à equipe projetar racionalmente motivos de proteínas para realizar a condução de prótons. Motivado pelo aumento da condutividade do próton, Ma et al. combinou os elementos de design resultantes com as estruturas de polipeptídeo supercharged (SUP) existentes.

p Em vez de usar motivos de barril β na arquitetura de materiais, eles usaram as estruturas de folha β mecanicamente estáveis ​​- uma sequência obtida da seda da aranha. Eles nomearam o sistema combinado de SUP aniônico com sequências de folhas β como 'spider-E'. The scientists produced the recombinant anionic spider-E material using plasmid-vector expression systems in the lab and determined the structure using X-ray diffraction, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and atomic force microscopy. The spider-E film showed higher proton conductance compared to amorphous SUP films alone.

p Characterizing the spider-E material architecture

p The β-sheet structured material system showed improved mechanical properties as a free-standing membrane that could be easily produced. Por exemplo, Ma et al. drop casted the spider-E solution to engineer a transparent macroscopic membrane in the lab. The results showed mechanical robustness of the construct due to the inclusion of spider motifs with a yield strength comparable to recombinant spider silk materials. The researchers showed how spider motifs formed β-sheet structured domains with hydrophilic surfaces composed of glutamic acid-rich SUP strands, to facilitate excellent proton hopping. The study pushed the limits of existing proteinaceous proton-conducting materials to represent a key example of protein engineering. The work represents one of the first examples that combines protein engineering and the rational design of bulk architecture with collective properties from molecular ensembles.

p Desta maneira, Chao Ma and colleagues applied rational molecular de novo design and engineering to achieve a bioinspired protein-derived bulk material with robust properties of proton conduction and excellent mechanical stability. They tested the surface modifications using a range of biophysical tools. The team developed the new generation, bioinspired bulk material and explored successive sequence designs to offer a promising platform for applications in biotechnology and envision the use of such materials for proton transport in miniaturized biofuel cells of the future. p © 2020 Science X Network