Assim como os países importam uma vasta gama de bens de consumo através das fronteiras nacionais, as células vivas estão engajadas em um animado negócio de importação e exportação. Suas portas de entrada são canais de transporte sofisticados embutidos na membrana protetora de uma célula. A regulação dos tipos de carga que podem passar pelas fronteiras formadas pela membrana de duas camadas da célula é essencial para o bom funcionamento e sobrevivência.
Em uma nova pesquisa, o professor da Arizona State University, Hao Yan, juntamente com colegas da ASU e colaboradores internacionais da University College London descrevem o projeto e a construção de canais artificiais de membrana, projetados usando segmentos curtos de DNA. As construções de DNA se comportam muito como canais ou poros celulares naturais, oferecendo transporte seletivo de íons, proteínas e outras cargas, com recursos aprimorados indisponíveis em suas contrapartes naturais.
Esses nanocanais de DNA inovadores podem um dia ser aplicados em diversos domínios científicos, desde aplicações de biossensor e entrega de drogas até a criação de redes celulares artificiais capazes de capturar, concentrar, armazenar e entregar carga microscópica de forma autônoma.
“Muitos poros e canais biológicos são reversíveis para permitir a passagem de íons ou moléculas”, diz Yan. Aqui, emulamos esses processos da natureza para projetar nanoporos de DNA que podem ser bloqueados e abertos em resposta a moléculas externas de “chave” ou “bloqueio”.
Professor Yan é o Milton D. Glick Distinguished Professor em Química e Bioquímica na ASU e dirige o Centro de Biodesign para Design Molecular e Biomimética. Ele também é professor da Escola de Ciências Moleculares da ASU.
Os resultados da pesquisa aparecem na edição atual da revista Nature Communications.
Todas as células vivas estão envolvidas em uma estrutura biológica única, a membrana celular. O termo científico para essas membranas é bicamada fosfolipídica, o que significa que a membrana é formada a partir de moléculas de fosfato ligadas a um componente de gordura ou lipídio para formar uma camada de membrana externa e interna.
Essas camadas de membrana interna e externa são um pouco como as paredes internas e externas de uma sala. Mas, ao contrário das paredes normais, o espaço entre as superfícies interna e externa é fluido, lembrando um mar. Além disso, as membranas celulares são consideradas semipermeáveis, permitindo a entrada ou saída de carga designada da célula. Esse transporte normalmente ocorre quando a carga em trânsito se liga a outra molécula, alterando a dinâmica da estrutura do canal para permitir a entrada na célula, algo como a abertura do Canal do Panamá.
As membranas celulares semipermeáveis são necessárias para proteger os ingredientes sensíveis dentro da célula de um ambiente externo hostil, permitindo o trânsito de íons, nutrientes, proteínas e outras biomoléculas vitais.
Pesquisadores, incluindo Yan, exploraram a possibilidade de criar canais de membrana seletivos sinteticamente, usando uma técnica conhecida como nanotecnologia de DNA. A idéia básica é simples. As fitas duplas de DNA que formam o projeto genético para todos os organismos vivos são mantidas juntas através do pareamento de bases dos 4 nucleotídeos da molécula, rotulados A, T, C e G. Uma regra simples se aplica, a saber, que os nucleotídeos A sempre emparelham com T e C com G. Assim, um segmento de DNA ATTCTCG formaria uma fita complementar com CAAGAGC.
O pareamento de bases de DNA permite a construção sintética de uma matriz virtualmente ilimitada ou nanoestruturas 2 e 3D. Uma vez que uma estrutura tenha sido cuidadosamente projetada, geralmente com a ajuda de um computador, os segmentos de DNA podem ser misturados e se automontarão em solução na forma desejada.
Criar um canal semipermeável usando nanotecnologia de DNA, no entanto, provou ser um desafio irritante. As técnicas convencionais falharam em replicar a estrutura e as capacidades dos canais de membrana feitos pela natureza e os nanoporos de DNA sintético geralmente permitem apenas o transporte de carga em um sentido.
O novo estudo descreve um método inovador, permitindo aos pesquisadores projetar e construir um canal de membrana sintética cujo tamanho de poro permite o transporte de cargas maiores do que os canais celulares naturais. Ao contrário dos esforços anteriores para criar nanoporos de DNA afixados a membranas, a nova técnica constrói a estrutura do canal passo a passo, montando os segmentos de DNA componentes horizontalmente em relação à membrana, em vez de verticalmente. O método permite a construção de nanoporos com aberturas mais amplas, permitindo o transporte de uma gama maior de biomoléculas.
Além disso, o design do DNA permite que o canal seja aberto e fechado seletivamente por meio de uma tampa articulada, equipada com um mecanismo de trava e chave. As “chaves” consistem em fitas de DNA específicas para a sequência que se ligam à tampa do canal e o acionam para abrir ou fechar.
Em uma série de experimentos, os pesquisadores demonstraram a capacidade do canal de DNA de transportar com sucesso cargas de tamanhos variados, desde pequenas moléculas de corante até estruturas de proteínas dobradas, algumas maiores do que as dimensões dos poros dos canais de membrana naturais.
Os pesquisadores usaram microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de transmissão para visualizar as estruturas resultantes, confirmando que elas estavam de acordo com as especificações originais do projeto das nanoestruturas.
Moléculas de corante fluorescente foram usadas para verificar se os canais de DNA perfuraram e se inseriram com sucesso através da bicamada lipídica da célula, fornecendo com sucesso a entrada seletiva de moléculas de transporte. A operação de transporte foi realizada dentro de 1 hora após a formação do canal, uma melhoria significativa em relação aos nanoporos de DNA anteriores, que normalmente requerem 5-8 horas para o trânsito completo da biomolécula.
Os nanocanais de DNA podem ser usados para capturar e estudar proteínas e examinar de perto suas interações com as biomoléculas com as quais se ligam ou estudar o rápido e complexo dobramento e desdobramento de proteínas. Esses canais também podem ser usados para exercer um controle refinado sobre as biomoléculas que entram nas células, oferecendo uma nova janela na entrega direcionada de drogas. Muitas outras aplicações possíveis provavelmente surgirão da recém-descoberta capacidade de projetar canais de transporte artificiais e automontáveis.
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