Em um estudo publicado recentemente na revista Small , pesquisadores do Nano Life Science Institute (WPI NanoLSI), Universidade de Kanazawa, Japão, em colaboração com o professor Sarikaya, Seattle, EUA, usaram microscopia de força atômica modulada em frequência para revelar a arquitetura molecular de peptídeos geneticamente projetados e mutados pontuais e suas auto-organizações cada formando cristais biológicos distintos e espessos de molécula única em grafite atomicamente plana e MoS₂ superfícies, oferecendo uma plataforma potencial para tecnologias híbridas, como bioeletrônica, biossensores e matrizes de proteínas.



As proteínas são os principais blocos de construção moleculares da biologia, desempenhando funções enzimáticas, transportando íons e elétrons e constituindo a principal infraestrutura das arquiteturas celulares, como as bombas iônicas. As funções das proteínas dependem de suas sequências de aminoácidos, que, por sua vez, ditam suas estruturas moleculares tridimensionais.

As sequências de aminoácidos das proteínas são codificadas pelos genes (código de DNA) de uma determinada célula especializada. Qualquer defeito na sequência de aminoácidos, como uma mutação pontual, uma mudança na localização de um aminoácido, um aminoácido ausente ou a transposição de dois ou mais aminoácidos, deverá, portanto, afetar a estrutura molecular da proteína. , o que se reflete na sua função, muitas vezes levando a doenças genéticas.

Semelhante às proteínas, os peptídeos também são compostos de unidades de aminoácidos e cada peptídeo possui uma sequência única; no entanto, são muito mais curtos, variando de 10 a 30 unidades, e codificados de forma semelhante pelo DNA. Elas são mais fáceis de manipular, projetar e usar em comparação com proteínas, que são muito maiores (centenas ou milhares de aminoácidos de comprimento), difíceis de sintetizar e impraticáveis ​​de usar.

Portanto, é imperativo que, para que a tecnologia prática do futuro seja desenvolvida com base em lições da biologia à escala molecular, a ciência fundamental tenha de ser estabelecida utilizando péptidos, que poderão então ser implementados em aplicações do mundo real, tais como biossensores. , bioeletrônica e dispositivos lógicos, bem como drogas, todos baseados em lições de biologia.

Percebendo esta premissa, o Professor Sarikaya iniciou uma nova abordagem de ciência de convergência há duas décadas, envolvendo engenharia genética, biologia molecular, informática, aprendizagem automática e ciência e engenharia de materiais, na concepção de péptidos de ligação sólida, e demonstrou a sua utilização em tecnologias híbridas práticas.

Neste novo estudo, um desses peptídeos, especificamente concebido como um peptídeo de ligação ao grafite, é mutado em dois peptídeos diferentes, M6 e M8, cada um nominalmente com o mesmo peso molecular e tamanho, mas contendo mutações pontuais dos aminoácidos carregados, um negativo. e o outro positivo, respectivamente.

Conforme previsto, eles funcionariam de maneira diferente, o que aconteceu. No entanto, a questão que era impossível prever a priori era como exatamente eles agiriam de forma diferente um do outro e do peptídeo do tipo selvagem (o original), e quais seriam os detalhes de sua estrutura molecular e seu comportamento cinético na superfície do peptídeo do tipo selvagem (o original). grafite de substrato.

As respostas a estas questões, cuja falta até agora limitava a compreensão da relação entre os mutantes e o seu comportamento previsível, exigiam uma resolução muito elevada e imagens diretas das moléculas nos seus estados nativos, na água, durante um período de segundos a horas.

É aqui que o Laboratório do Professor Takeshi Fukuma entra em cena no WPI Nano Life Science Institute, Universidade de Kanazawa, onde sua equipe desenvolveu instalações de microscopia de força atômica modulada em frequência que são capazes de interrogar objetos em escala molecular com resolução de imagem próxima de angstrom e para longos períodos de tempo em ambientes aquosos – uma combinação incomum de capacidades para um sistema experimental, especialmente para pesquisa biológica.

Com as habilidades experimentais altamente proficientes dos pesquisadores (com paciência inesgotável em testes de longa duração), liderados pelo Dr. Ayhan Yurtsever, Dr. mutantes em detalhes sem precedentes, fornecendo resultados com significado que abrange diversas disciplinas tradicionalmente diversas, da ciência dos materiais à física, à química e à biologia.

Primeiro, apesar das mutações e de terem individualmente uma carga geral diferente, cada peptídeo não apenas se ligou à superfície de grafite, mas também se reuniu, formando cristais peptídicos com espessura de uma única molécula. No entanto, enquanto o primeiro mutante, o de carga negativa, formou uma rede cristalina oblíqua com duas moléculas (enroladas uma na outra) em cada rede, o segundo mutante, o de carga positiva, formou uma rede oblíqua diferente contendo um único peptídeo.

O que é verdadeiramente valioso aqui é que o comportamento dos peptídeos está simples e diretamente relacionado à sua arquitetura molecular, modelada por meio de dinâmica molecular. Os pesquisadores, portanto, conseguiram descrever matematicamente a relação entre cada um dos peptídeos (cada um formando uma rede molecular oblíqua diferente) e a rede hexagonal do substrato de grafite, que é descrita exclusivamente como reconhecimento quiral.

Com efeito, isto significa que cada peptídeo demonstra formar uma interface híbrida com o substrato grafite, melhor descrita como sendo cristalograficamente coerente, sem nenhuma lacuna perceptível entre eles, não muito diferente das interações ligante-receptor ou proteína/DNA na biologia.

Nem o reconhecimento molecular de objetos no estado sólido por uma molécula "viva" foi tão claramente observado antes, nem seus detalhes foram descritos como quirais, ambos aumentando a importância dos resultados apresentados nesta publicação.

Por um lado, do ponto de vista da biologia, existem agora amplos dados e detalhes sobre como as mutações levam a alterações conformacionais moleculares e à função resultante dos péptidos, que pode ser expandida para o comportamento das proteínas, com significado nas mutações genéticas e eficácia. desenho de medicamentos.

E, por outro lado, a hibridização coerente sugere que objetos animados e inanimados em nanoescala estão presentes de forma estável na mesma interface suave, formando uma ponte molecular exclusiva que poderia ser melhor descrita pela integração perfeita da biologia com dispositivos de estado sólido.

Se assim for, com base neste estudo, espera-se que os cientistas e tecnólogos alarguem enormemente o repertório da base molecular dos futuros dispositivos bio/nano, utilizando a ferramenta simples da biologia molecular da mutação.

Mais informações: Ayhan Yurtsever et al, Dinâmica da automontagem molecular de peptídeos curtos em interfaces líquido-sólido - efeito de mutações pontuais de aminoácidos carregados, pequenos (2024). DOI:10.1002/smll.202400653
Informações do diário: Pequeno

Fornecido pela Universidade de Kanazawa