p Em meio ao zoológico de biomoléculas essenciais à vida, as enzimas estão entre as mais vitais. Sem essas proteínas especializadas, que aceleram as taxas de reações químicas, milhares de processos vitais essenciais, desde o crescimento celular e digestão até a respiração e função nervosa, seria impossível. p Em uma nova pesquisa, Stuart Lindsay e seus colegas investigam um feito recentemente descoberto realizado por enzimas, e muito provavelmente, todas as proteínas. Sob condições adequadas, eles podem atuar como excelentes condutores de eletricidade, permitindo que eles sejam incorporados em uma variedade de dispositivos eletrônicos. "É uma maneira de conectar a incrível diversidade química de enzimas diretamente em um computador, "Lindsay diz.

p Embora o papel da condutância da proteína na natureza permaneça uma questão de mistério e especulação, aproveitar este fenômeno para uso humano provavelmente abrirá novos caminhos para dispositivos de detecção bioquímica, produção industrial inteligente e inovações em diagnósticos médicos.

p Talvez o mais emocionante, a condutância elétrica por meio de um tipo especial de enzima pode sinalizar um avanço significativo para o sequenciamento de DNA. Usando uma DNA polimerase, o próprio leitor de DNA de alta resolução da natureza, em tal dispositivo poderia potencialmente permitir o sequenciamento ultrarrápido de genomas humanos inteiros com precisão sem precedentes a um custo muito baixo. O novo estudo "abre a caixa de Pandora para examinar a função de qualquer enzima em um chip de computador".

p Assuntos atuais

p Os autores do novo estudo descrevem os truques que usaram para afixar uma DNA polimerase a um par de eletrodos e os picos de corrente resultantes associados à enzima que se liga e libera sucessivamente os nucleotídeos do DNA alvo. A demonstração bem-sucedida da condutância enzimática abre caminho para a montagem de arranjos de proteínas em chips de computador, onde podem atuar como processadores biológicos paralelos para uma variedade de tarefas.

p "As enzimas são moléculas incríveis que realizam reações químicas que não aconteceriam de outra forma, "Lindsay diz. Para dar uma ideia do poder dessas moléculas, certas reações essenciais aos processos vitais, desdobrando-se milhares de vezes por segundo, exigiria milênios para ocorrer na ausência de enzimas.

p Lindsay dirige o Biosedign Center for Single Molecule Biophysics na Arizona State University. A principal pesquisa do centro concentra-se na ciência no nexo da medicina molecular e nanotecnologia.

p As descobertas de seu grupo aparecem na próxima edição da revista ACS Nano .

p Proteínas como condutores

p Até recentemente, as proteínas eram consideradas estritamente como isolantes do fluxo de corrente elétrica. Agora, parece, suas propriedades físicas incomuns podem levar a uma condição na qual eles ficam sensivelmente posicionados entre um isolador e um condutor. (Um fenômeno conhecido como criticidade quântica pode estar no cerne de seu comportamento peculiar.)

p De fato, em pesquisas anteriores, Lindsay demonstrou forte condutância elétrica através de uma proteína capturada entre um par de eletrodos. A nova pesquisa leva as investigações da condutância da proteína um passo adiante. Anteriormente, a proteína foi ligada por meio de seus dois chamados locais ativos. Estas são as regiões de uma proteína que ligam moléculas selecionadas, frequentemente resultando em uma mudança conformacional na estrutura 3-D complexa da molécula e na conclusão da tarefa dada à proteína.

p Desta vez, a biomolécula foi sensivelmente ligada aos eletrodos por meio de locais de ligação alternados na enzima, deixando os locais ativos disponíveis para ligar as moléculas e realizar a função natural da proteína.

p Kindle da natureza

p A molécula de enzima escolhida para os experimentos é uma das mais importantes para a vida. Conhecida como DNA polimerase, esta enzima se liga a nucleotídeos sucessivos em um comprimento de DNA e gera uma cadeia complementar de nucleotídeos, um por um. Esta versátil nanomáquina é usada em sistemas vivos para copiar DNA durante a replicação celular, bem como para reparar quebras ou outros insultos ao DNA.

p O estudo descreve técnicas para afixar a DNA polimerase aos eletrodos, de modo a gerar fortes sinais de condutância por meio de dois produtos químicos de ligação especializados, conhecidos como biotina e estreptavidina. Quando um eletrodo foi funcionalizado usando esta técnica, pequenos picos de condutância foram gerados à medida que a DNA polimerase se ligou e liberou cada nucleotídeo sucessivamente, como uma mão que agarra e solta uma bola de beisebol. Quando ambos os eletrodos foram equipados com estreptavidina e biotina, sinais de condutância muito mais fortes, medindo de 3 a 5 vezes o tamanho, foram observados.

p A ideia de aproveitar uma polimerase para realizar o sequenciamento rápido de DNA tem estado com Lindsay há algum tempo. Ele havia pensado em usá-lo em dispositivos anteriores que criou, nos quais seções de DNA eram alimentadas através de junções de túneis estreitos. "Não seria legal se você pudesse colocar um par de eletrodos dentro das polimerases porque a polimerase agarra o DNA e o passa pela junção. Se você tivesse um mecanismo de leitura embutido na polimerase, você tem a máquina de sequenciamento ideal. "

p O novo método espera ter uma abordagem diferente, usando a própria experiência de leitura de velocidade da polimerase para fornecer uma leitura de nucleotídeos por meio de picos de condutância específicos para cada uma das 4 bases de DNA. Na prática, uma série de obstáculos de design devem ser superados. A ligação adequada da polimerase para a condutância elétrica é um assunto delicado e envolve muitas tentativas e erros. Os sítios de ligação devem ser projetados em domínios específicos que não afetam o dobramento e a função das proteínas, e as conexões devem ser criadas para evitar que a própria enzima faça contato com os eletrodos. O uso de biotina para ligar a molécula também parece ser crítico para alta condutância. A ligação da biotina a uma bolsa da estreptavidina parece ajudar a conduzir o transporte de elétrons para o interior da proteína, maximizando assim a condutância.

p A separação dos sinais de condutância que registram cada base sucessiva de DNA do ruído de fundo e movimentos aleatórios dos pontos de contato para a enzima também se provou desafiadores e algoritmos de aprendizado de máquina sofisticados estão sendo utilizados para esclarecer as leituras de condutância. Lindsay acredita que muitos desses problemas de ruído serão resolvidos quando as polimerases forem incorporadas em chips devidamente isolados e selados, mantendo a enzima rigidamente no lugar.

p Fronteiras de enzimas

p O primeiro genoma humano completo foi um marco para a ciência e a medicina. O esforço hercúleo do Projeto Genoma Humano consumiu 13 anos de mão de obra a um custo de um bilhão de dólares. Agora, as comportas para uma nova era de bioeletrônica de proteínas podem estar se abrindo, com muitas surpresas provavelmente reservadas.

p Se os obstáculos técnicos restantes puderem ser superados, O sequenciamento de DNA pode ser realizado na velocidade vertiginosa de uma DNA polimerase funcional, ou cerca de cem nucleotídeos por segundo. "Se você colocar 10, 000 moléculas em um chip - o que não é difícil de fazer - você sequenciará um genoma inteiro em menos de uma hora, "Lindsay diz