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A natureza usa 20 aminoácidos canônicos como blocos de construção para produzir proteínas, combinando suas sequências para criar moléculas complexas que desempenham funções biológicas.
Mas o que acontece com as sequências não selecionados pela natureza? E que possibilidades existem na construção de sequências inteiramente novas para fazer romance, ou de novo, proteínas com pouca semelhança com qualquer coisa na natureza?
Esse é o terreno em que o Hecht Lab da Universidade de Princeton trabalha. E, recentemente, a curiosidade deles em projetar suas próprias sequências valeu a pena.
Eles descobriram o primeiro conhecido de novo proteína que catalisa, ou impulsiona, a síntese de pontos quânticos. Pontos quânticos são nanocristais fluorescentes usados em aplicações eletrônicas de telas de LED a painéis solares.
Seu trabalho abre as portas para a fabricação de nanomateriais de maneira mais sustentável, demonstrando que sequências de proteínas não derivadas da natureza podem ser usadas para sintetizar materiais funcionais – com benefícios pronunciados para o meio ambiente.
Os pontos quânticos são normalmente feitos em ambientes industriais com altas temperaturas e solventes tóxicos e caros – um processo que não é econômico nem ecológico. Mas os pesquisadores do Hecht Lab realizaram o processo na bancada usando água como solvente, produzindo um produto final estável à temperatura ambiente.
“Estamos interessados em fazer moléculas de vida, proteínas, que não surgiram na vida”, disse o professor de química Michael Hecht, que liderou a pesquisa com Greg Scholes, o professor de química William S. Tod e chefe do departamento. “De certa forma, estamos perguntando se existem alternativas para a vida como a conhecemos? Toda a vida na Terra surgiu de um ancestral comum.
“Então, aqui, estamos fazendo novas proteínas que nunca surgiram na vida, fazendo coisas que não existem na vida.”
O processo da equipe também pode ajustar o tamanho da nanopartícula, que determina a cor que os pontos quânticos brilham ou fluorescem. Isso oferece possibilidades para marcar moléculas dentro de um sistema biológico, como a coloração de células cancerosas na Vivo.
“Os pontos quânticos têm propriedades ópticas muito interessantes devido aos seus tamanhos”, disse Yueyu Yao, co-autor do artigo e aluno de graduação do quinto ano no Hecht Lab. “Eles são muito bons em absorver a luz e convertê-la em energia química – o que os torna úteis para serem transformados em painéis solares ou qualquer tipo de sensor fotográfico.
“Mas, por outro lado, eles também são muito bons em emitir luz em um determinado comprimento de onda desejado, o que os torna adequados para fazer telas de LED.”
E por serem pequenos – compostos por apenas cerca de 100 átomos e talvez 2 nanômetros de diâmetro – eles são capazes de penetrar algumas barreiras biológicas, tornando sua utilidade em medicamentos e imagens biológicas especialmente promissora.
A pesquisa “Uma de novo proteína catalisa a síntese de pontos quânticos semicondutores”, foi publicado esta semana no Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS).
Por que usar proteínas de novo?
“Acho que usar de novo As proteínas abrem caminho para a designabilidade”, disse Leah Spangler, principal autora da pesquisa e ex-pós-doutora no Scholes Lab. “Uma palavra-chave para mim é ‘engenharia’. Quero ser capaz de projetar proteínas para fazer algo específico, e esse é um tipo de proteína com a qual você pode fazer isso.
“Os pontos quânticos que estamos fazendo ainda não são de grande qualidade, mas isso pode ser melhorado ajustando a síntese”, acrescentou ela. “Podemos alcançar melhor qualidade projetando a proteína para influenciar a formação de pontos quânticos de maneiras diferentes”.
Com base no trabalho feito por Sarangan Chari, químico sênior do Hecht Lab e autor correspondente, a equipe usou um de novo proteína que projetou chamada ConK para catalisar a reação. Os pesquisadores isolaram o ConK pela primeira vez em 2016 a partir de uma grande biblioteca combinatória de proteínas. Ainda é feito de aminoácidos naturais, mas se qualifica como “de novo“porque sua sequência não tem nenhuma semelhança com uma proteína natural.
Os pesquisadores descobriram que ConK permitiu a sobrevivência de E. coli em concentrações tóxicas de cobre, sugerindo que pode ser útil para ligação e sequestro de metais. Os pontos quânticos usados nesta pesquisa são feitos de sulfeto de cádmio. O cádmio é um metal, então os pesquisadores se perguntaram se o ConK poderia ser usado para sintetizar pontos quânticos.
Seu palpite valeu a pena. ConK decompõe a cisteína, um dos 20 aminoácidos, em vários produtos, incluindo sulfeto de hidrogênio. Isso atua como a fonte ativa de enxofre que irá então reagir com o metal cádmio. O resultado são pontos quânticos CdS.
“Para fazer um ponto quântico de sulfeto de cádmio, você precisa que a fonte de cádmio e a fonte de enxofre reajam em solução”, disse Spangler. “O que a proteína faz é tornar a fonte de enxofre lentamente ao longo do tempo. Então, adicionamos o cádmio inicialmente, mas a proteína gera o enxofre, que então reage para fazer tamanhos distintos de pontos quânticos.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo programa MRSEC da National Science Foundation (DMR-2011750), pelo Princeton University Writing Center e pelo Canadian Institute for Advanced Research. A pesquisa também foi apoiada pela concessão da NSF MCB-1947720 para MH.
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