As proteínas estão entre as biomoléculas mais versáteis e onipresentes da Terra. A natureza os usa para tudo, desde a construção de tecidos até a regulação do metabolismo e a defesa do corpo contra doenças.
Agora, um novo estudo mostra que as proteínas têm outras capacidades amplamente inexploradas. Sob as condições certas, eles podem agir como minúsculos fios condutores de corrente, úteis para uma série de nanoeletrônicos projetados por humanos.

Em uma nova pesquisa publicada na revista ACS Nano, Stuart Lindsay e seus colegas mostram que certas proteínas podem atuar como condutores elétricos eficientes. Na verdade, esses minúsculos fios de proteína podem ter melhores propriedades de condutância do que nanofios semelhantes compostos de DNA, que já obtiveram sucesso considerável para uma série de aplicações humanas.

O professor Lindsay dirige o Centro de Biodesign para Biofísica de Moléculas Únicas. Ele também é professor do Departamento de Física da ASU e da Escola de Ciências Moleculares.

Assim como no caso do DNA, as proteínas oferecem muitas propriedades atraentes para a eletrônica em nanoescala, incluindo estabilidade, condutância ajustável e vasta capacidade de armazenamento de informações. Embora as proteínas fossem tradicionalmente consideradas como maus condutores de eletricidade, tudo isso mudou recentemente quando Lindsay e seus colegas demonstraram que uma proteína posicionada entre um par de eletrodos poderia atuar como um eficiente condutor de elétrons.

A nova pesquisa examina o fenômeno do transporte de elétrons através de proteínas com mais detalhes. Os resultados do estudo estabelecem que, em longas distâncias, os nanofios de proteína apresentam melhores propriedades de condutância do que os nanofios sintetizados quimicamente projetados especificamente para serem condutores. Além disso, as proteínas são auto-organizadas e permitem o controle em escala atômica de suas partes constituintes.

Nanofios de proteína projetados sinteticamente podem dar origem a novos eletrônicos ultra-minúsculos, com aplicações potenciais para detecção e diagnóstico médico, nanorrobôs para realizar missões de busca e destruição contra doenças ou em uma nova geração de transistores de computador ultra-minúsculos. Lindsay está particularmente interessado no potencial dos nanofios de proteína para uso em novos dispositivos para realizar sequenciamento ultrarrápido de DNA e proteínas, uma área na qual ele já fez avanços significativos.

Além de seu papel em dispositivos nanoeletrônicos, as reações de transporte de carga são cruciais em sistemas vivos para processos que incluem respiração, metabolismo e fotossíntese. Assim, a pesquisa sobre propriedades de transporte por meio de proteínas projetadas pode lançar uma nova luz sobre como esses processos operam dentro de organismos vivos.

Embora as proteínas tenham muitos dos benefícios do DNA para a nanoeletrônica em termos de condutância elétrica e automontagem, o alfabeto expandido de 20 aminoácidos usado para construí-las oferece um kit de ferramentas aprimorado para nanoarquitetos como Lindsay, quando comparado com apenas quatro nucleotídeos que compõem o DNA .

Autoridade de trânsito

Embora o transporte de elétrons tenha sido um foco de pesquisa considerável, a natureza do fluxo de elétrons através das proteínas permaneceu um mistério. Em termos gerais, o processo pode ocorrer através de tunelamento de elétrons, um efeito quântico que ocorre em distâncias muito curtas ou através do salto de elétrons ao longo de uma cadeia peptídica – no caso das proteínas, uma cadeia de aminoácidos.

Um objetivo do estudo foi determinar qual desses regimes parecia estar operando fazendo medições quantitativas de condutância elétrica em diferentes comprimentos de nanofios de proteína. O estudo também descreve um modelo matemático que pode ser usado para calcular as propriedades molecular-eletrônicas das proteínas.

Para os experimentos, os pesquisadores usaram segmentos de proteínas em incrementos de quatro nanômetros, variando de 4 a 20 nanômetros de comprimento. Um gene foi projetado para produzir essas sequências de aminoácidos a partir de um molde de DNA, com os comprimentos da proteína ligados em moléculas mais longas. Um instrumento altamente sensível conhecido como microscópio de tunelamento de varredura foi usado para fazer medições precisas de condutância à medida que o transporte de elétrons progredia através do nanofio de proteína.

Os dados mostram que a condutância diminui ao longo do comprimento do nanofio de uma maneira consistente com o comportamento de salto em vez de tunelamento dos elétrons. Resíduos de aminoácidos aromáticos específicos (seis tirosinas e um triptofano em cada torção de saca-rolhas da proteína), ajudam a guiar os elétrons ao longo de seu caminho de ponto a ponto, como estações sucessivas ao longo de uma rota de trem. "O transporte de elétrons é como pular pedra na água - a pedra não tem tempo de afundar em cada salto", diz Lindsay.

Maravilhas do fio

Enquanto os valores de condutância dos nanofios de proteína diminuíram com a distância, eles o fizeram de forma mais gradual do que com os fios moleculares convencionais projetados especificamente para serem condutores eficientes.

Quando os nanofios de proteína excederam seis nanômetros de comprimento, sua condutância superou os nanofios moleculares, abrindo a porta para seu uso em muitas novas aplicações. O fato de que eles podem ser sutilmente projetados e alterados com controle de escala atômica e automontados a partir de um modelo de gene permite manipulações afinadas que excedem em muito o que pode ser alcançado atualmente com o design convencional de transistores.

Uma possibilidade interessante é usar esses nanofios de proteínas para conectar outros componentes em um novo conjunto de nanomáquinas. Por exemplo, nanofios poderiam ser usados ​​para conectar uma enzima conhecida como DNA polimerase a eletrodos, resultando em um dispositivo que poderia sequenciar um genoma humano inteiro a baixo custo em menos de uma hora. Uma abordagem semelhante poderia permitir a integração de proteossomos em dispositivos nanoeletrônicos capazes de ler aminoácidos para sequenciamento de proteínas.

"Estamos começando agora a entender o transporte de elétrons nessas proteínas. Uma vez que você tenha cálculos quantitativos, não apenas você terá ótimos componentes eletrônicos moleculares, mas também terá uma receita para projetá-los", diz Lindsay. “Se você pensar no programa SPICE que os engenheiros elétricos usam para projetar circuitos, há um vislumbre agora de que você pode obter isso para a eletrônica de proteínas”. + Explorar mais

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