Ilustração do modelo. Crédito:Revisão Física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021004 Os sistemas complexos na natureza, tal como os seus homólogos sintéticos na tecnologia, compreendem um grande número de pequenos componentes que se montam por si próprios através de interacções moleculares. Obter uma melhor compreensão dos princípios e mecanismos desta automontagem é importante para o desenvolvimento de novas aplicações em domínios como a nanotecnologia e a medicina.
O professor Erwin Frey, presidente de física estatística e biológica da LMU e membro do ORIGINS Excellence Cluster, e seu pesquisador Dr. Florian Gartner investigaram agora um aspecto da automontagem que recebeu pouca atenção até agora:qual o papel da forma e o número de ligações possíveis entre as partículas jogam?
Como relatam os pesquisadores na revista Physical Review X , seus resultados mostram que morfologias hexagonais – em outras palavras, estruturas de seis lados – como moléculas com seis locais de ligação são ideais para automontagem.
Fenômenos de escalonamento despertam interesse de pesquisadores
“Quando investigamos um modelo geral de automontagem, observamos que o tempo de montagem aumentava com o tamanho da estrutura alvo”, relata o Gartner. "Isso nos fez pensar se a forma das partículas poderia ter uma influência considerável na rapidez com que o tempo de montagem necessário aumenta com o tamanho da estrutura alvo e, portanto, na eficiência dos processos de auto-organização. Este escalonamento do tempo de montagem com o tamanho da estrutura alvo define o que chamamos de complexidade de tempo da automontagem."
Seguindo esse pensamento, os cientistas desenvolveram um modelo matemático para analisar o comportamento do sistema durante a automontagem. Os seus resultados demonstram que a morfologia dos blocos de construção desempenha de facto um papel importante.
Ao levar em consideração a escala e a cinética dos sistemas, entre outros aspectos, Frey e Gartner conseguiram mostrar que as formas hexagonais oferecem vantagens consideráveis para a automontagem. Por exemplo, a montagem de estruturas compostas por mil blocos de construção pode ser quase quatro ordens de grandeza mais rápida com blocos de construção hexagonais em comparação com os triangulares.
Este princípio do hexágono aplica-se geralmente à morfologia, que não só descreve a forma das partículas, mas também o número e o posicionamento das suas ligações:Seis ligações possíveis com partículas adjacentes provaram ser ideais na montagem de estruturas maiores. Podem ser ligações covalentes, pontes de hidrogênio, forças de van der Waals e interações hidrofóbicas.
Também existem correspondências na natureza para esse padrão, como a automontagem de capsídeos virais. Este processo começa com a montagem de pequenas partes triangulares em hexágonos, que posteriormente se unem a pentágonos para formar as estruturas icosaédricas dos capsídeos virais.
Aplicações potenciais
Segundo os cientistas, os seus resultados fornecem informações valiosas para a nanotecnologia. O princípio do hexágono poderia ser aplicado para otimizar a auto-organização de pequenas estruturas em estruturas maiores – no que diz respeito à forma dos blocos de construção ou à possibilidade de ligações e relações de adjacência com outras partículas. Através da automontagem hierárquica, por exemplo, poderia ser possível formar partículas com morfologia particularmente vantajosa (hexágonos, por exemplo) numa etapa inicial de montagem, a fim de aumentar a eficiência de todo o processo de montagem.
“Se você entender quais morfologias dos monômeros levam a uma automontagem eficiente, poderá selecionar deliberadamente essas formas e evitar formas ineficientes que demoram a ser montadas”, explica o Gartner. "Um exemplo de como esta estratégia pode ser aproveitada está na síntese de capsídeos virais artificiais para aplicações biomédicas."
