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A maior parte da vida na Terra é baseada em polímeros de 20 aminoácidos que evoluíram em centenas de milhares de proteínas diferentes e altamente especializadas. Eles catalisam reações, formam a espinha dorsal e os músculos e até geram movimento.
Mas toda essa variedade é necessária? A biologia poderia funcionar tão bem com menos blocos de construção e polímeros mais simples?
Ting Xu, um cientista de polímeros da Universidade da Califórnia, em Berkeley, pensa assim. Ela desenvolveu uma maneira de imitar funções específicas de proteínas naturais usando apenas dois, quatro ou seis blocos de construção diferentes – os usados atualmente em plásticos – e descobriu que esses polímeros alternativos funcionam tão bem quanto a proteína real e são muito mais fáceis de sintetizar do que tentar replicar o design da natureza.
Como prova de conceito, ela usou seu método de design, baseado em aprendizado de máquina ou inteligência artificial, para sintetizar polímeros que imitam o plasma sanguíneo. O fluido biológico artificial manteve intactos os biomarcadores de proteínas naturais sem refrigeração e até tornou as proteínas naturais mais resistentes a altas temperaturas – uma melhoria em relação ao plasma sanguíneo real.
Os substitutos de proteína, ou heteropolímeros aleatórios (RHP), podem ser um divisor de águas para aplicações biomédicas, uma vez que muito esforço hoje é feito para ajustar proteínas naturais para fazer coisas para as quais não foram originalmente projetadas, ou tentar recriar o 3D estrutura de proteínas naturais. A entrega de drogas de pequenas moléculas que imitam proteínas humanas naturais é um campo de pesquisa quente.
Em vez disso, a IA poderia escolher o número, o tipo e o arranjo certos de blocos de construção de plástico – semelhantes aos usados em obturações dentárias, por exemplo – para imitar a função desejada de uma proteína, e a química simples de polímeros poderia ser usada para produzi-la.
No caso do plasma sanguíneo, por exemplo, os polímeros artificiais foram projetados para dissolver e estabilizar biomarcadores de proteínas naturais no sangue. Xu e sua equipe também criaram uma mistura de polímeros sintéticos para substituir as entranhas de uma célula, o chamado citosol. Em um tubo de ensaio cheio de fluido biológico artificial, as nanomáquinas da célula, os ribossomos, continuaram a bombear proteínas naturais como se não se importassem se o fluido era natural ou artificial.
“Basicamente, todos os dados mostram que podemos usar essa estrutura de design, essa filosofia, para gerar polímeros a um ponto que o sistema biológico não seria capaz de reconhecer se é um polímero ou se é uma proteína”, disse Xu, Professor de química da UC Berkeley e de ciência e engenharia de materiais. “Basicamente, enganamos a biologia. A ideia é que, se você realmente projetar e injetar seus plásticos como parte de um ecossistema, eles devem se comportar como uma proteína. Se as outras proteínas disserem: ‘Ok, você faz parte de nós ‘, então tudo bem.”
A estrutura de design também abre a porta para projetar sistemas biológicos híbridos, onde os polímeros plásticos interagem suavemente com proteínas naturais para melhorar um sistema, como a fotossíntese. E os polímeros podem ser feitos para se degradarem naturalmente, tornando o sistema reciclável e sustentável.
“Você começa a pensar em um futuro completamente novo para o plástico, em vez de todas essas mercadorias”, disse Xu, que também é cientista do corpo docente do Lawrence Berkeley National Laboratory.
Ela e seus colegas publicaram seus resultados na edição de 8 de março da revista Natureza.
Uma feliz mistura de polímeros biológicos e abiológicos
Xu vê o tecido vivo como uma mistura complexa de proteínas que evoluíram para trabalhar juntas de forma flexível, com menos atenção à sequência real de aminoácidos de cada proteína do que às subunidades funcionais da proteína, os locais onde essas proteínas interagem. Assim como em um mecanismo de fechadura e chave, onde não faz muita diferença se a chave é de alumínio ou aço, a composição real das subunidades funcionais é menos importante do que o que elas fazem.
E como essas misturas naturais de proteínas evoluíram aleatoriamente ao longo de milhões de anos, deve ser possível criar misturas semelhantes aleatoriamente, com um alfabeto diferente de blocos de construção, se você usar os princípios corretos para projetá-los e selecioná-los, aliviando os cientistas da necessidade de recriar as misturas exatas de proteínas em tecidos vivos.
“A natureza não faz um design de baixo para cima, molecular e de precisão como fazemos no laboratório”, disse Xu. “A natureza precisa de flexibilidade para chegar onde está. A natureza não diz, vamos estudar a estrutura desse vírus e fazer um antígeno para atacá-lo. “
Essa aleatoriedade pode ser aproveitada para projetar polímeros sintéticos que se misturam bem com proteínas naturais, criando plásticos biocompatíveis com mais facilidade do que as técnicas direcionadas atuais, diz Xu.
Trabalhando com o estatístico aplicado Haiyan Huang, professor da UC Berkeley, os pesquisadores desenvolveram métodos de aprendizado profundo para combinar as propriedades naturais da proteína com as propriedades do polímero plástico, a fim de projetar um polímero artificial que funciona de maneira semelhante, mas não idêntica, à proteína natural. Por exemplo, ao tentar projetar um fluido que estabilize proteínas naturais específicas, as propriedades mais importantes do fluido são as cargas elétricas das subunidades do polímero e se essas subunidades gostam ou não de interagir com a água – ou seja, se são hidrofílicas ou hidrofóbico. Os polímeros sintéticos foram projetados para corresponder a essas propriedades, mas não a outras características das proteínas naturais do fluido.
Huang e o estudante de pós-graduação Shuni Li treinaram a técnica de aprendizado profundo – um híbrido de inteligência artificial clássica (IA) que Huang chama de autoencoder variacional modificado (VAE) – em um banco de dados de cerca de 60.000 proteínas naturais. Essas proteínas foram divididas em segmentos de 50 aminoácidos, e as propriedades do segmento foram comparadas às dos polímeros artificiais compostos por apenas quatro blocos de construção.
Com o feedback dos experimentos do aluno de pós-graduação Zhiyuan Ruan no laboratório de Xu, a equipe conseguiu sintetizar quimicamente um grupo aleatório de polímeros, RHPs, que imitavam as proteínas naturais em termos de carga e hidrofobicidade.
“Observamos o espaço de sequência que a natureza já projetou, analisamos, fazemos o polímero corresponder ao que a natureza já desenvolveu e eles funcionam”, disse Xu. “Quão bem você segue a sequência da proteína determina o desempenho do polímero que você obtém. Extrair informações de um sistema estabelecido, como proteínas naturais, é o atalho mais fácil para nos permitir descobrir os critérios corretos para a criação de polímeros biologicamente compatíveis.”
Colegas de laboratório de Carlos Bustamante, professor de biologia molecular e celular da UC Berkeley, de química e de física, realizaram estudos com pinças ópticas de molécula única e mostraram claramente que os RHPs podem imitar o comportamento das proteínas.
Xu, Huang e seus colegas agora estão tentando imitar outras características de proteínas para reproduzir em plástico as muitas outras funções dos polímeros de aminoácidos naturais.
“No momento, nosso objetivo é simplesmente estabilizar as proteínas e imitar as funções mais básicas das proteínas”, disse Huang. “Mas com um design mais refinado do sistema RHP, acho que é natural para nós explorar outras funções aprimoradas. Estamos tentando estudar quais composições de sequência podem ser informativas sobre as possíveis funções ou comportamento da proteína que o RHP pode carregar.”
A plataforma de design abre as portas para sistemas híbridos de polímeros naturais e sintéticos, mas também sugere maneiras de fabricar materiais biocompatíveis com mais facilidade, desde rasgos artificiais ou cartilagem até revestimentos que podem ser usados para administrar medicamentos.
“Se você deseja desenvolver biomateriais para interagir com seu corpo, para fazer engenharia de tecidos ou administração de medicamentos, ou deseja fazer um revestimento de stent, precisa ser compatível com sistemas biológicos”, disse Xu. “O que este artigo está dizendo é: aqui estão as regras de design. É assim que você deve interagir com fluidos biológicos.”
Seu objetivo final é repensar totalmente como os biomateriais são projetados atualmente, porque os métodos atuais – focados principalmente em imitar as estruturas de aminoácidos de proteínas naturais – não estão funcionando.
“A Food and Drug Administration não aprovou nenhum novo material para biomateriais poliméricos por décadas, e acho que a razão é que muitos polímeros sintéticos não estão realmente funcionando – estamos seguindo a direção errada”, disse ela. “Não estamos deixando a biologia nos dizer como o material deve ser projetado. Estamos olhando para caminhos individuais, fatores individuais, e não olhando de forma holística. A biologia é realmente complicada, mas é muito aleatória. Você realmente tem que falar o mesma linguagem ao lidar com materiais. É isso que quero compartilhar com a comunidade de materiais.”
Outros co-autores do artigo incluem os alunos de pós-graduação da UC Berkeley, Alexandra Grigoropoulos, Haotian Chen e Ivan Jayapurna; UC Berkeley bolsistas de pós-doutorado Hossein Amiri e Tao Jiang; aluno de graduação da UC Berkeley, Zhaoyi Gu; e os colaboradores de Xu no MIT, Alfredo Alexander-Katz e Shayna Hilburg.
O trabalho foi financiado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (W911NF-13-1-0232, HDTRA1-19-1-0011), National Science Foundation (DMR-2104443), Departamento de Energia’s Office of Science (DE-AC02- 05-CH11231) e a iniciativa Matter-to-Life da Alfred P. Sloan Foundation.
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