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Cada proteína em seu corpo é composta pelos mesmos 20 blocos de construção chamados aminoácidos. Mas só porque a natureza está presa a um kit de ferramentas limitado não significa que os humanos não possam expandi-lo.
Um estudo publicado em Ciência em 27 de julho por uma equipe que inclui químicos de Pitt descreve uma nova maneira poderosa de criar aminoácidos “não naturais”, que podem ser usados em terapias baseadas em proteínas e abrir novos ramos da química orgânica.
“Esta é uma transformação completamente nova: nova para a natureza e nova para a química”, disse Peng Liu, professor de química na Escola de Artes e Ciências Kenneth P. Dietrich e autor correspondente do artigo. “Dizer a uma enzima para criar uma configuração não natural de um aminoácido é incomum, e você deve fazer isso com uma bioengenharia cuidadosa”.
Mude apenas um pedaço de uma proteína maior e você pode alterar a forma como ela é moldada e o que ela faz – então os aminoácidos não naturais prometem abrir novos tipos de terapias como antibióticos ou imunossupressores que usam proteínas ou seus primos menores.
A criação dessas moléculas no laboratório, no entanto, é um processo oneroso e de várias etapas: as partes do aminoácido que se ligam umas às outras para formar uma cadeia de proteína precisam ser protegidas enquanto os pesquisadores transformam quimicamente o restante da molécula. A reação descrita no novo artigo, no entanto, é mais simples e eficiente, e oferece aos químicos um nível de controle sem precedentes sobre como os grupos de átomos são orientados na molécula resultante.
Também emprega uma ferramenta química, uma enzima PLP, de forma incomum. Enzimas são proteínas que catalisam reações – normalmente, mesmo quando suas funções são alteradas pela bioengenharia, tudo o que podem fazer é acelerar processos químicos conhecidos que os químicos poderiam alcançar de outras maneiras, embora mais lentas. Mas emparelhado com um catalisador molecular sensível à luz, a enzima nesta nova reação pode alcançar muito mais do que isso.
“Você pode argumentar que enzimas de bioengenharia fornecem melhor eficiência do que catalisadores de moléculas pequenas, mas elas catalisam a mesma reação”, disse Liu, na foto à direita. “Mas esta é uma reação inteiramente nova. Simplesmente não existia antes.”
O grupo de Liu usa simulações de computador para descobrir a intrincada dança que acontece em uma reação química no nível de átomos e elétrons, adicionando o “porquê” ao “o quê” descoberto por grupos que conduzem experimentos. Para este artigo, o pesquisador de pós-doutorado Liu e Pitt, Binh Khanh Mai, na foto à esquerda, trabalhou com uma equipe de pesquisadores da UC Santa Barbara liderada por Yang Yang – uma colaboração que vem se fortalecendo desde 2014, quando Yang passou um verão no laboratório de Liu como um estudante de pós-graduação visitante.
Liu e Mai mergulharam nos dados fornecidos pelo grupo de Yang para entender como e por que a reação ocorreu, desvendando as etapas intermediárias que são invisíveis para os químicos. Em uma etapa, a dupla deu uma olhada particularmente de perto, um elétron tem que percorrer uma distância extraordinariamente longa em seu caminho entre duas moléculas. “Tivemos que fazer uma modelagem cuidadosa sobre a probabilidade disso porque esta é a etapa que é nova na natureza e suporta todo o mecanismo de reação”, disse Liu.
A base desses modelos é um tremendo poder de computação. Liu cita o Centro de Computação de Pesquisa de Pitt como um ingrediente essencial para o sucesso do laboratório, pois as simulações complexas que o grupo realiza para entender as complexidades das reações químicas exigem tempo com supercomputadores poderosos e de ponta.
Mesmo assim, ainda há perguntas sem resposta, e este artigo é apenas o primeiro passo de uma série de colaborações entre as duas equipes. Se eles puderem entender melhor por que a reação incomum acontece, o grupo de Liu pode abrir a capacidade de aproveitá-la em diferentes contextos para criar uma ampla variedade de novas ferramentas químicas, medicamentos e muito mais.
“Você pode pensar em quantos tipos diferentes de aminoácidos não naturais você poderia produzir – há um número quase ilimitado”, disse Liu. “Então, podemos usar esse insight para desenvolver outras novas reações também?”
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