As proteínas são, sem dúvida, algumas das biomoléculas mais fascinantes, e eles desempenham muitas das funções que (aos nossos olhos) separam a vida da matéria inanimada. Os conjuntos de proteínas multi-moleculares têm até funções estruturais em grande escala, como evidenciado por penas, cabelo, e escamas em animais. Não deve ser surpresa que, com o progresso em nanotecnologia avançada e bioengenharia, conjuntos de proteínas artificiais encontraram aplicações em uma variedade de campos, incluindo catálise, armazenamento molecular, e sistemas de distribuição de drogas.

Contudo, a produção de conjuntos ordenados de proteínas continua sendo um desafio. É particularmente difícil obter monômeros, os blocos de construção das proteínas, para montar de forma estável nas estruturas desejadas; isso geralmente requer um projeto muito preciso e controle das condições de síntese, como pH (acidez) e temperatura. Estudos recentes encontraram maneiras de contornar esse problema usando cristais de proteína - arranjos moleculares sólidos que ocorrem naturalmente em alguns organismos - como matrizes precursoras para produzir conjuntos de proteínas.

No Instituto de Tecnologia de Tóquio, Japão, uma equipe de cientistas liderada pelo professor Takafumi Ueno tem trabalhado em uma abordagem promissora para sintetizar conjuntos de proteínas a partir de cristais de proteínas. Sua estratégia envolve a introdução de mutações no código genético de um organismo que produz naturalmente cristais de proteína. Essas mutações fazem com que ligações dissulfeto (S-S) se formem entre monômeros em locais muito específicos nos cristais. Os cristais são então dissolvidos, mas em vez de se decompor completamente em seus monômeros individuais, como de costume, as ligações S-S recém-introduzidas mantêm grupos de monômeros juntos e os cristais se dividem em muitos dos conjuntos de proteínas desejados. Com esta abordagem, A equipe de Ueno conseguiu sintetizar gaiolas e tubos de proteína usando essencialmente células vivas como impressoras nano-3D.

Em seu último estudo, que foi publicado em Angewandte Chemie International Edition , a equipe demonstrou mais uma aplicação de sua nova estratégia; desta vez para a síntese de filamentos de proteínas agrupados. Eles usaram uma cultura de células de insetos (Spodoptera frugiperda) infectadas com um vírus que causou a superexpressão de um monômero chamado "TbCatB". Esses monômeros se agregam naturalmente dentro das células em cristais de proteínas, que são mantidos juntos pelas interações não covalentes relativamente fracas entre os monômeros. Os cientistas introduziram estrategicamente duas mutações nas células para que cada monômero tivesse dois grupos tiol (-SH) de cisteína em pontos de interface críticos com outros monômeros.

Os cristais foram extraídos das células e deixados para oxidar em temperatura ambiente, o que fez com que os grupos tiol se transformassem em fortes ligações S-S entre monômeros adjacentes ao longo de uma única direção por autoxidação sob ar. Quando os cristais foram dissolvidos, essas ligações dissulfeto, junto com algumas interações não covalentes persistentes, resultou na formação de filamentos de proteínas agrupados com dois monômeros de largura - cerca de 8,3 nanômetros. "Com nossa estratégia, alcançamos um arranjo altamente preciso de moléculas de proteína, suprimindo a agregação aleatória de monômeros devido a ligações de sulfeto indesejadas, tudo em um processo relativamente simples de um recipiente, "destaca Ueno.

Geral, a abordagem demonstrada pela equipe da Tokyo Tech se destaca como uma forma inovadora de sintetizar estruturas de proteínas por meio de engenharia genética racional e usando as ferramentas naturalmente disponíveis para células de certos organismos. "Consideramos nosso método de síntese um avanço útil na ciência dos nano-biomateriais e na química supramolecular para a produção de conjuntos estáveis ​​desejados a partir de cristais de proteína, "conclui Ueno. Só o tempo dirá quais outras estruturas moleculares úteis podem ser produzidas usando essa estratégia e quais aplicações interessantes elas encontrarão.