Nova abordagem de design amplia oportunidades para análises de moléculas individuais

Os poros de barril β transmembrana (TMBs) são amplamente utilizados para sequenciamento de DNA e RNA de molécula única. Eles permitem a miniaturização de uma ampla gama de aplicações de detecção e sequenciamento em dispositivos portáteis do tamanho de USB e tecnologias de ponto de atendimento. Uma equipe de pesquisadores belgas e americanos descreveu agora uma abordagem geral para projetar poros TMB do zero com formas e propriedades personalizadas, abrindo novas oportunidades para análises de molécula única. Seus resultados foram publicados em Ciência.

Nanoporos de proteína são o Santo Graal no campo da biologia analítica. Essas proteínas de tamanho nanométrico formam poros regulares em membranas lipídicas e são amplamente utilizadas para sequenciamento de DNA e RNA de molécula única. Elas têm um potencial considerável para avançar uma ampla gama de aplicações de sensoriamento e sequenciamento, tirando-as de laboratórios especializados e colocando-as em dispositivos portáteis. No entanto, as abordagens atuais para a engenharia de sensores de nanoporos são limitadas a proteínas naturais, que evoluíram para funções muito diferentes e são pontos de partida menos do que ideais para o desenvolvimento de sensores.

Uma pesquisa liderada pelo Centro de Biologia Estrutural VIB-VUB (Bélgica) e pela Faculdade de Medicina da Universidade de Washington (EUA) assumiu o desafio de projetar esses “barris” de proteína do zero, com o objetivo final de controlar o formato e a química em nível molecular.

Com a ajuda do design computacional, os pesquisadores desenvolveram métodos para projetar canais nanopore estáveis ​​com formas, tamanhos e condutância de poro ajustáveis. Comparado aos poros naturais, o sinal gerado pelos TMBs projetados foi notavelmente estável e silencioso. Colaboradores no laboratório de Sheena Radford (Universidade de Leeds) e Sebastian Hiller (Biozentrum, Universidade de Basel) descobriram que os designs se dobraram em estruturas 3D estáveis. Isso abre a porta para projetar canais nanopore de novo que são adequados para muitas aplicações de interesse em pesquisa e indústria.

“Esses desenvolvimentos são muito empolgantes. Quando começamos com essa ideia alguns anos atrás, muitas pessoas achavam que era impossível, porque o design e a dobragem de folhas β são incrivelmente complexos, muito menos em membranas lipídicas. Agora mostramos que podemos projetar com sucesso nanoporos com uma alta taxa de sucesso, que têm condutância estável e reproduzível”, diz a Dra. Anastassia Vorobieva, líder do grupo no Centro de Biologia Estrutural do VIB-VUB.

Como próximo passo, os pesquisadores colocaram seu método de design à prova. Nanoporos que podem detectar moléculas muito pequenas, como metabólitos, seriam ferramentas extremamente úteis para análise metabolômica e diagnóstica, que atualmente requer equipamentos de laboratório grandes e especializados. O design de sensores funcionais de pequenas moléculas continua desafiador devido à complexidade das interações proteína-ligante. Portanto, os poros devem ter um formato altamente complementar à pequena molécula de interesse.

Uma equipe do laboratório do professor de bioquímica da UW Medicine e pesquisador do HHMI David Baker projetou com sucesso novas proteínas que podem se ligar especificamente a metabólitos de moléculas pequenas. Eles dividiram as proteínas em três partes e fundiram as partes nos loops de um poro TMB. Eles descobriram que podiam detectar diretamente eventos de ligação de moléculas únicas usando tais construções.

“Esta colaboração é um ótimo exemplo do que é possível com o design de proteínas. Em vez de reutilizar biomoléculas da natureza, agora podemos criar as funções que queremos a partir dos primeiros princípios”, observa o Prof. Dr. David Baker, professor da Escola de Medicina da Universidade de Washington e pesquisador do HHMI.

Os resultados positivos provam que o design de nanoporos pode complementar a espectrometria de massa e outros métodos analíticos que exigem grandes laboratórios e grandes configurações porque a tecnologia é menor e mais acessível. Embora ainda estejamos um pouco distantes deste ponto, os pesquisadores vislumbram um futuro no qual dispositivos portáteis com diferentes nanoporos podem detectar uma variedade de metabólitos, proteínas e pequenas moléculas, ou até mesmo fazer sequenciamento biomolecular.