As gaiolas de proteínas encontradas nos micróbios ajudam o seu conteúdo a resistir ao hostil ambiente intracelular – uma observação que tem muitas aplicações em bioengenharia. Os pesquisadores da Tokyo Tech desenvolveram recentemente uma abordagem inovadora de bioengenharia que utiliza bactérias geneticamente modificadas para incorporar gaiolas de proteínas em torno de cristais de proteínas. Este método de biossíntese celular produz com eficiência complexos proteicos altamente personalizados, que podem encontrar aplicações como catalisadores sólidos avançados e nanomateriais funcionalizados.



Na natureza, as proteínas podem se agrupar para formar complexos organizados com inúmeras formas e finalidades. Graças ao notável progresso na bioengenharia nas últimas décadas, os cientistas podem agora produzir conjuntos de proteínas personalizados para aplicações especializadas. Por exemplo, gaiolas de proteínas podem confinar enzimas que atuam como catalisadores para uma reação química direcionada. Da mesma forma, os cristais de proteínas – estruturas compostas por unidades repetidas de proteínas – podem servir como estruturas para a síntese de materiais sólidos com terminais funcionais expostos.

No entanto, incorporar (ou "encapsular") proteínas estranhas na superfície de um cristal de proteína é um desafio. Assim, a síntese de cristais de proteínas que encapsulam conjuntos de proteínas estranhas tem sido difícil. Até agora, não existem métodos eficientes para atingir este objectivo, e os tipos de cristais de proteína produzidos são limitados. Mas e se a maquinaria celular bacteriana fosse a resposta?

Em um estudo recente, uma equipe de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio, incluindo o professor Takafumi Ueno, relatou um novo método dentro da célula para encapsular gaiolas de proteínas com diversas funções em cristais de proteínas. O artigo deles, publicado em Nano Letters , representa um avanço substancial na engenharia de cristais de proteínas.

A estratégia da equipe envolve a modificação genética da bactéria Escherichia coli para produzir dois blocos de construção principais:monômero de poliedrina (PhM) e ferritina modificada (Fr). Por um lado, os PhMs combinam-se naturalmente dentro das células para formar um cristal de proteína bem estudado chamado cristal de poliedros (PhC). Por outro lado, sabe-se que unidades de 24 Fr se combinam para formar uma gaiola proteica estável.

"A ferritina tem sido amplamente utilizada como modelo para a construção de bio-nano materiais, modificando suas superfícies internas e externas. Assim, se a formação de uma gaiola Fr e sua posterior imobilização em PhC puderem ser realizadas simultaneamente em uma única célula, as aplicações de cristais de proteína nas células como materiais bio-híbridos serão expandidos", explica o Prof. Ueno.

Para imobilizar as gaiolas Fr em PhC, os pesquisadores modificaram o gene que codifica Fr para incluir uma etiqueta α-hélice (H1) de PhM, criando assim H1-Fr. O raciocínio por trás desta abordagem é que as hélices H1 naturalmente presentes nas moléculas PhM interagem significativamente com os marcadores em H1-Fr, agindo como “agentes de recrutamento” que ligam as proteínas estranhas ao cristal.

Usando microscopia avançada, técnicas analíticas e químicas, a equipe de pesquisa verificou a validade da abordagem proposta. Através de vários experimentos, eles descobriram que os cristais resultantes tinham uma estrutura núcleo-invólucro, ou seja, um núcleo cúbico de PhC com cerca de 400 nanômetros de largura coberto por cinco ou seis camadas de gaiolas H1-Fr.

Esta estratégia para a biossíntese de cristais de proteínas funcionais é muito promissora para aplicações em medicina, catálise e engenharia de biomateriais. “As gaiolas H1-Fr têm o potencial de imobilizar moléculas externas dentro delas para entrega molecular”, diz o Prof.

"Nossos resultados indicam que as estruturas núcleo-invólucro H1-Fr/PhC, exibindo gaiolas H1-Fr na superfície externa do núcleo PhC, podem ser controladas individualmente em nível nanoescala. Ao acumular diferentes moléculas funcionais no núcleo PhC e H1 -Em gaiola, cristais hierárquicos controlados em nanoescala podem ser construídos para aplicações biotecnológicas avançadas.

Trabalhos futuros neste campo nos ajudarão a perceber o verdadeiro potencial da bioengenharia de cristais e montagens de proteínas. Com alguma sorte, estes esforços abrirão caminho para um futuro mais saudável e sustentável.

Mais informações: Thuc Toan Pham et al, Exibindo uma gaiola de proteína em um cristal de proteína pela In-Cell Crystal Engineering, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02117
Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Tóquio