Ao unir moléculas, os cientistas da Universidade de Montreal pensam ter descoberto como os sistemas moleculares na origem da vida evoluíram para criar funções complexas de autorregulação.



Publicado em Angewandte Chemie , suas descobertas prometem fornecer aos químicos e nanotecnólogos uma estratégia simples para criar a próxima geração de nanossistemas dinâmicos.

A vida na Terra é sustentada por milhões de pequenas nanoestruturas ou nanomáquinas diferentes que evoluíram ao longo de milhões de anos, explicou Alexis Vallée-Bélisle, professor da UdeM e investigador principal do estudo.

Estas estruturas, muitas vezes menores que 10.000 vezes o diâmetro de um fio de cabelo humano, são normalmente compostas de proteínas ou ácidos nucleicos. Embora alguns sejam feitos de um único componente ou peça (muitas vezes polímeros lineares que se dobram em uma estrutura específica), a maioria deles é feita usando vários componentes que se montam espontaneamente em conjuntos grandes e dinâmicos.

Respondendo a estímulos

“Esses conjuntos moleculares são altamente dinâmicos e ativam ou desativam precisamente em resposta a vários estímulos, como variação de temperatura, oxigênio ou nutrientes”, disse Vallée-Bélisle.

"Da mesma forma que os carros que exigem ignição sequencial, liberação de freio, mudança de marcha e entrada de gás para avançar, os sistemas moleculares exigem a ativação ou desativação sequencial de várias nanomáquinas para realizar quaisquer tarefas específicas, desde movimento, respiração até pensamento."

Os investigadores levantaram uma questão fundamental:como foram criados, programados e ajustados conjuntos moleculares dinâmicos para sustentar a vida?

O que eles descobriram é que muitos conjuntos biológicos foram provavelmente formados pela ligação aleatória de moléculas interagentes (por exemplo, proteínas ou ácidos nucleicos como DNA ou RNA) com ligantes agindo como um “conector” entre cada parte.

"Como estes conjuntos biomoleculares desempenham um papel crucial ao permitir que os organismos vivos respondam ao seu ambiente, levantamos a hipótese de que a natureza da conectividade entre os componentes anexados também pode contribuir para a evolução das suas respostas dinâmicas", disse Vallée-Bélisle, titular da Cátedra de Pesquisa do Canadá em Bioengenharia e Bio-Nanotecnologia.

Explorando o impacto da conectividade

Para explorar esta questão, Dominic Lauzon, um estudante de doutorado na época do estudo, decidiu sintetizar e unir dezenas de moléculas que interagem com o DNA para explorar o impacto da conectividade na dinâmica da montagem.

"A química programável e fácil de usar dos ácidos nucléicos, como o DNA, torna-a uma molécula conveniente para estudar questões fundamentais relacionadas à evolução das biomoléculas", disse Lauzon, o primeiro autor do estudo. “Além disso, acredita-se que os ácidos nucléicos também sejam a molécula que está na origem da vida na Terra”.

Lauzon e Vallée-Bélisle descobriram que uma simples variação no comprimento do "ligante" entre as moléculas em interação leva a variações significativas na sua dinâmica de montagem. Por exemplo, certas montagens exibiram alta sensibilidade à variação de estímulos, enquanto outras careciam dessa sensibilidade, ou mesmo exigiam mudanças muito maiores nos estímulos para promover a montagem.

Mais surpreendentemente, alguns ligantes criaram mesmo novas funções reguladoras complexas, tais como propriedades de auto-inibição, onde a adição de um estímulo promoveria tanto a sua montagem como a sua desmontagem. Todos esses diferentes comportamentos responsivos também são frequentemente observados em nanomáquinas naturais “vivas”.

Usando experimentos e equações matemáticas, os pesquisadores também conseguiram explicar por que uma variação tão simples do comprimento do ligante era tão eficiente na modificação da dinâmica da montagem molecular.

“Os ligantes que criaram os conjuntos mais estáveis ​​foram os que também criaram os mecanismos de ativação mais sensíveis, enquanto os ligantes que criaram os conjuntos menos estáveis ​​criaram os mecanismos de ativação menos sensíveis, até ao ponto de introduzirem a autoinibição”, explicou Lauzon.

Sentir é crucial

A capacidade de detectar sinais moleculares com precisão é crucial para montagens biológicas, mas também no desenvolvimento da nanotecnologia que depende da detecção e integração de informação molecular.

Os investigadores acreditam, portanto, que a sua descoberta também pode fornecer a estrutura fundamental para criar nanomáquinas ou nanossistemas mais programáveis ​​com atividades reguladas de forma otimizada - por exemplo, simplesmente anexando moléculas em interação com ligantes variados. Tais montagens moleculares já estão encontrando aplicações em biossensorização ou distribuição de medicamentos.

Além de fornecer uma estratégia de design simples para criar a próxima geração de nanossistemas autorregulados, as descobertas dos cientistas também esclarecem como os conjuntos biomoleculares naturais podem ter adquirido a sua dinâmica ideal.

"Uma estratégia de evolução molecular bem conhecida dos organismos vivos é a fusão genética, onde o DNA que codifica dois domínios proteicos em interação é fundido aleatoriamente", disse Vallée-Bélisle.

"Nossas descobertas também fornecem a compreensão fundamental necessária para compreender como uma simples variação no comprimento do ligante entre as proteínas fundidas pode ter criado eficientemente conjuntos biológicos exibindo uma variedade de dinâmicas, algumas mais adequadas do que outras para fornecer uma vantagem aos organismos vivos."

Mais informações: Dominic Lauzon et al, Princípios de Design e Termodinâmica para Programar a Cooperatividade de Montagens Moleculares, Angewandte Chemie Edição Internacional (2023). DOI:10.1002/anie.202313944
Informações do diário: Angewandte Chemie Edição Internacional , Angewandte Chemie

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