Duas linguagens moleculares na origem da vida foram recriadas com sucesso e validadas matematicamente, graças ao trabalho pioneiro de cientistas canadenses da Université de Montréal.



O estudo, "Programação de comunicação química:alostério vs. mecanismo multivalente", publicado em 15 de agosto de 2023 no Journal of the American Chemical Society , abre novas portas para o desenvolvimento de nanotecnologias com aplicações que vão desde biossensorização, entrega de medicamentos e imagem molecular.

Os organismos vivos são constituídos por milhares de milhões de nanomáquinas e nanoestruturas que comunicam para criar entidades de ordem superior capazes de fazer muitas coisas essenciais, como mover-se, pensar, sobreviver e reproduzir-se.

"A chave para o surgimento da vida depende do desenvolvimento de linguagens moleculares - também chamadas de mecanismos de sinalização - que garantem que todas as moléculas nos organismos vivos trabalhem juntas para realizar tarefas específicas", disse o investigador principal do estudo, professor de bioengenharia da UdeM, Alexis Vallée-Bélisle.

Nas leveduras, por exemplo, ao detectar e ligar-se a uma feromona de acasalamento, milhares de milhões de moléculas comunicarão e coordenarão as suas actividades para iniciar a união, disse Vallée-Bélisle, titular de uma Cátedra de Investigação do Canadá em Bioengenharia e Bionanotecnologia.

"À medida que entramos na era da nanotecnologia, muitos cientistas acreditam que a chave para projetar e programar nanossistemas artificiais mais complexos e úteis depende da nossa capacidade de compreender e empregar melhor as linguagens moleculares desenvolvidas pelos organismos vivos", disse ele.

Dois tipos de linguagens

Uma linguagem molecular bem conhecida é o alostério. O mecanismo dessa linguagem é “fechadura e chave”:uma molécula se liga e modifica a estrutura de outra molécula, direcionando-a para desencadear ou inibir uma atividade.

Outra linguagem molecular menos conhecida é a multivalência, também conhecida como efeito quelato. Funciona como um quebra-cabeça:à medida que uma molécula se liga a outra, facilita (ou não) a ligação de uma terceira molécula simplesmente aumentando sua interface de ligação.

Embora estas duas linguagens sejam observadas em todos os sistemas moleculares de todos os organismos vivos, só recentemente é que os cientistas começaram a compreender as suas regras e princípios – e assim a utilizar estas linguagens para conceber e programar novas nanotecnologias artificiais.

“Dada a complexidade dos nanossistemas naturais, até agora ninguém foi capaz de comparar as regras básicas, vantagens ou limitações destas duas linguagens no mesmo sistema”, disse Vallée-Bélisle.

Para isso, seu aluno de doutorado Dominic Lauzon, primeiro autor do estudo, teve a ideia de criar um sistema molecular baseado em DNA que pudesse funcionar nas duas linguagens. “O DNA é como peças de Lego para nanoengenheiros”, disse Lauzon. "É uma molécula notável que oferece uma química simples, programável e fácil de usar."

Equações matemáticas simples para detectar anticorpos

Os pesquisadores descobriram que equações matemáticas simples poderiam descrever bem ambas as linguagens, o que desvendava os parâmetros e regras de design para programar a comunicação entre moléculas dentro de um nanossistema.

Por exemplo, enquanto a linguagem multivalente permitiu o controle tanto da sensibilidade quanto da cooperatividade da ativação ou desativação das moléculas, a tradução alostérica correspondente apenas permitiu o controle da sensibilidade da resposta.

Com esse novo entendimento em mãos, os pesquisadores usaram a linguagem da multivalência para projetar e projetar um sensor de anticorpos programável que permite a detecção de anticorpos em diferentes faixas de concentração.

“Tal como demonstrado com a recente pandemia, a nossa capacidade de monitorizar com precisão a concentração de anticorpos na população em geral é uma ferramenta poderosa para determinar a imunidade individual e colectiva das pessoas”, disse Vallée-Bélisle.

Além de expandir a caixa de ferramentas sintéticas para criar a próxima geração de nanotecnologia, a descoberta do cientista também esclarece por que alguns nanossistemas naturais podem ter selecionado uma linguagem em vez de outra para comunicar informações químicas.

Mais informações: Dominic Lauzon et al, Programação de comunicação química:alostério vs mecanismo multivalente, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c04045
Informações do diário: Jornal da Sociedade Química Americana

Fornecido pela Universidade de Montreal