p (Phys.org) - As proteínas são capazes de se automontar em uma ampla gama de estruturas altamente ordenadas que apresentam uma gama diversificada de propriedades. Por meio da biomimética - inovação tecnológica inspirada pela natureza - os humanos esperam emular proteínas e produzir nossa própria versão de moléculas de automontagem. A chave para conseguir isso é entender como o enovelamento de proteínas - um processo crítico para a forma e função de uma proteína - é estendido de proteínas individuais para conjuntos complexos. p Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) mostraram agora que um conceito amplamente aceito para descrever o dobramento de uma única proteína individual também é aplicável à automontagem de várias proteínas. Suas descobertas fornecem diretrizes importantes para esforços futuros de biomimética, particularmente para fabricação de dispositivos e síntese em nanoescala.

p "Fizemos as primeiras observações diretas de que o conceito de um funil de dobra com armadilhas de energia cinética para proteínas individuais pode ser igualmente aplicado à montagem de estruturas ordenadas de proteínas, "diz Jim DeYoreo, um cientista da Fundição Molecular, um centro de nanociência DOE no Berkeley Lab, que liderou esta pesquisa junto com a química do Berkeley Lab, Carolyn Bertozzi. "Nossos resultados nos dizem que os esforços para descobrir e codificar as regras de projeto para a automontagem de sistemas moleculares complexos terão que levar em consideração o impacto das armadilhas cinéticas associadas às transformações conformacionais."

p DeYoreo e Bertozzi são os autores correspondentes de um artigo publicado pela Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) que relataram esta pesquisa. O artigo é intitulado "Observação direta de armadilhas cinéticas associadas a transformações estruturais que levam a vários caminhos de montagem da camada S." Os co-autores do artigo foram Seong-Ho Shin, Sungwook Chung, Babak Sanii e Luis Comolli.

p As proteínas são essencialmente nanomáquinas biomoleculares capazes de realizar inúmeras tarefas devido à sua capacidade de se dobrar em uma infinidade de formas e formas. Quando proteínas individuais se auto-organizam em estruturas ordenadas, o conjunto resultante geralmente adota conformações que são bastante distintas daquelas dos componentes individuais.

p "Por exemplo, matrizes de colágeno, que constituem os andaimes orgânicos de ossos e dentes, são construídos a partir de hélices triplas de monômeros de colágeno individuais, "DeYoreo diz." Essas hélices vão se juntar em fibrilas retorcidas altamente organizadas que exibem uma simetria pseudohexagonal. "

p O conceito de funil de dobramento explica o dobramento individual de proteínas com base nas mudanças conformacionais para atingir um estado de energia livre mínima. Uma proteína desdobrada começa em um estado de alta energia livre que torna sua conformação instável. Inicialmente, existem várias conformações tridimensionais possíveis que reduziriam essa energia livre. Contudo, quando a proteína começa a se dobrar, a energia livre começa a cair e o número de conformações possíveis começa a diminuir como a largura de um funil cada vez menor. O fundo do funil é alcançado quando a energia livre é minimizada e há apenas uma conformação disponível. Conforme a energia livre diminui, Contudo, pode haver armadilhas cinéticas ao longo do caminho que podem parar o processo de dobramento e manter a proteína em conformações parcialmente dobradas, conhecido como glóbulos fundidos e intermediários de dobramento, por longos períodos de tempo. Eventualmente, esses estados conformacionais aprisionados serão transformados em uma conformação estável, mas a forma e a forma dessa conformação final são influenciadas pelas armadilhas cinéticas.

p "Em um funil de dobramento de proteína, presume-se que as paredes do funil não são lisas e as saliências e vales resultantes definem armadilhas cinéticas, "DeYoreo diz." Esta imagem física da dobra foi explorada com alguns detalhes no nível de uma única molécula, mas não foi considerado para a automontagem de proteínas em arquiteturas estendidas, embora as transformações conformacionais sejam parte integrante do processo de automontagem. "

p DeYoreo, Bertozzi e seus colegas tomaram medidas para corrigir esse déficit de conhecimento estudando as proteínas da camada superficial (camada S) que se auto-montam em uma membrana cristalina em torno das células únicas de bactérias e Archaea. Essa membrana externa serve como o primeiro ponto de contato entre o micróbio e seu ambiente e é a chave para a capacidade do micróbio de sobreviver. Usando microscopia de força atômica (AFM) in situ, os pesquisadores obtiveram imagens em tempo real e no aprisionamento cinético de nível molecular durante a automontagem em 2D de estruturas de proteína da camada S em superfícies de mica.

p "Observamos que a auto-montagem das proteínas da camada S segue ao longo de duas vias diferentes, um que leva diretamente ao final de baixa energia, estado ordenado, e a outra levando a uma armadilha cinética ocupada por um estado transiente de longa duração que é mais desordenado, "DeYoreo diz." Embora qualquer um dos estados seja facilmente acessível durante a nucleação do cristal, se o sistema cair no estado de alta energia, escapar para a final, o estado de baixa energia é fortemente impedido à temperatura ambiente. Isso demonstra a importância das armadilhas cinéticas na determinação da via de cristalização da camada S e sugere que o conceito de funis de dobramento é igualmente válido para a automontagem de estruturas de proteínas estendidas. "