Nos organismos vivos, as células têm uma capacidade muito elevada de processar e comunicar informações, movendo moléculas ou íons através de minúsculos canais que atravessam a membrana celular. O laboratório do professor de Engenharia Elétrica e de Computação da UC Santa Cruz, Marco Rolandi, e colaboradores do MIT criaram um dispositivo que imita esse conceito biológico para detectar doenças.



Usando seu sistema bioprotônico, dispositivo que integra componentes eletrônicos com componentes biológicos e utiliza correntes elétricas de prótons, os pesquisadores podem detectar biomoléculas que indicam a presença de doenças humanas, entre outras aplicações. Detalhes sobre este dispositivo foram publicados na revista Nature Communications .

“As células tendem a estar interconectadas – elas conversam entre si ou com o ambiente externo, usando esses canais intermembrana”, disse Rolandi. "O que pretendemos fazer com nossos colaboradores no MIT foi criar um canal iônico artificial de forma que pudéssemos ajustar as propriedades do canal iônico e sua funcionalidade conforme desejássemos."

Usando uma técnica chamada origami de DNA, os pesquisadores do MIT podem fazer a bioengenharia de um filamento de DNA, que naturalmente tem o formato de uma dupla hélice, em qualquer formato que desejarem. Para este projeto, eles criaram um pequeno túnel especialmente programado para que um fluxo de prótons (H-plus) viajasse de maneira ideal. Este minúsculo canal é conhecido como nanoporo, um conceito originalmente lançado na UCSC.

O nanoporo de DNA fica dentro do sistema bioprotônico de Rolandi, que é projetado para imitar o mundo aquoso e condutor de íons do ambiente celular. Uma dupla camada de lipídios semelhante a uma membrana celular separa a água que representa o ambiente externo de uma célula de um eletrodo que representa o interior de uma célula, e o nanoporo incorporado atua como um canal entre os dois lados.

O eletrodo envia um fluxo de prótons através do canal do nanoporo para o outro lado do nanoporo, onde há um local de ligação da molécula que pode ser personalizado para que biomoléculas específicas de interesse se fixem nele. Se uma dessas moléculas estiver presente na água, ela se fixará em uma extremidade do nanoporo e bloqueará o fluxo de prótons através do canal.

O dispositivo traduz o sinal do próton em um sinal eletrônico que os pesquisadores podem ler. Quando o dispositivo não detecta prótons fluindo pelo canal, os pesquisadores sabem que uma biomolécula está presente.

O dispositivo também inclui duas alças feitas de colesterol que se posicionam através da bicamada lipídica e melhoram a condutividade dos prótons através do canal nanoporo.

"A singularidade da abordagem é a combinação desses dispositivos condutores de prótons com bicamadas lipídicas de suporte, e acredito que somos os únicos grupos que estão trabalhando nisso, com este projeto de acoplamento para os nanoporos de DNA", disse Rolandi. “A novidade é tanto a integração do dispositivo quanto a capacidade de detectar usando esses nanoporos de DNA”.

No artigo, os pesquisadores mostram que são capazes de utilizar o sistema bioprotônico para a detecção da biomolécula peptídeo natriurético tipo B, indicador de doença cardíaca. Isso mostra o potencial do dispositivo para ser usado para detecção de biomoléculas em ambiente clínico ou in vitro.

No futuro, os investigadores prevêem que o dispositivo poderá conter múltiplos nanoporos, cada um programado para detectar um tipo diferente de biomolécula.

“É definitivamente parte da atratividade do sistema – num futuro próximo poderemos multiplexar, para que possamos ter um conjunto completo de biossensores”, disse Rolandi.

Os pesquisadores da UCSC Le (Dante) Luo, Yunjeong Park e Jesse Vicente contribuíram para este artigo. Pesquisadores da Universidade de Washington e da Universidade TOBB de Economia e Tecnologia em Ancara, Turquia, também participaram deste projeto.

Mais informações: Le Luo et al, Nanoporos de DNA como canais de membrana artificial para bioprotônicos, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40870-1
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade da Califórnia - Santa Cruz