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Imobilizar pequenas moléculas sintéticas dentro de cristais de proteína prova ser uma via promissora para estudar compostos intermediários formados durante reações químicas, relatam cientistas da Tokyo Tech. Ao integrar esse método com cristalografia de femtossegundo serial resolvida no tempo, eles visualizaram com sucesso a dinâmica da reação e as rápidas mudanças estruturais ocorrendo dentro dos centros de reação imobilizados dentro de cristais de proteína. Essa estratégia inovadora tem potencial significativo para o design inteligente de medicamentos, catalisadores e materiais funcionais.
A maioria das reações químicas complexas, sejam sintéticas ou biológicas, não envolve uma transformação direta de reagentes em produtos. Em vez disso, elas frequentemente procedem através da formação de compostos intermediários de vida curta que passam por mais reações até que os produtos finais sejam obtidos. Entender esses processos passo a passo em detalhes é crucial para avanços em campos como geração de energia, catálise e medicina.
No entanto, visualizar intermediários de vida curta em reações químicas é bastante desafiador, especialmente se for preciso capturar mudanças estruturais em uma molécula no nível atômico. Um método de ponta para conseguir isso é a cristalografia de femtossegundo serial resolvida no tempo (TR-SFX). Essa técnica envolve disparar pulsos de laser de elétrons extremamente rápidos em estruturas moleculares cristalizadas e capturar os padrões de difração resultantes. Essas estruturas moleculares estão em vários estágios de uma reação química, permitindo que a dinâmica da reação seja registrada. Apesar de suas capacidades surpreendentes, o uso de TR-SFX até agora tem sido limitado principalmente a biomacromoléculas.
Para estender as aplicações desta técnica poderosa e mostrar seu potencial para outros tipos de moléculas, uma equipe de pesquisa do Japão, liderada pelo Professor Takafumi Ueno, decidiu usá-la para analisar reações em compostos sintéticos. Usando uma abordagem inovadora, eles capturaram com sucesso a dinâmica da liberação de monóxido de carbono (CO) de Mn(CO)3. O estudo foi publicado em
Uma limitação significativa que os pesquisadores tiveram que superar é o fato de que o TR-SFX funciona melhor com microcristais, como aqueles formados por biomacromoléculas. Além disso, embora pequenas moléculas possam formar cristais adequados para o TR-SFX, esses cristais são geralmente compactados, deixando pouco espaço para que reações ocorram.
Para abordar essas questões, a equipe desenvolveu uma estratégia inovadora baseada na lisozima da clara do ovo de galinha (HEWL). Essa proteína natural não apenas cristaliza em uma estrutura nanoporosa adequada para TR-SFX, mas também contém terminais His15 que se ligam fortemente a metais. Os pesquisadores aproveitaram essas propriedades para imobilizar um Mn(CO) fotossensível3-composto contendo dentro de cristais HEWL. Esta configuração forneceu um ambiente adequado para estudar reações de liberação de CO, que foram desencadeadas por disparos de pulsos de luz nos cristais em intervalos de tempo cuidadosamente controlados em relação aos pulsos de laser de elétrons TR-SFX.
No geral, este protocolo provou ser altamente promissor para investigar a reação alvo analisando mudanças em mapas de densidade eletrônica obtidos via TR-SFX. “Após a liberação de CO, os centros de Mn tipicamente sofrem dimerização, oxidação aérea ou precipitação em solução, o que complica as investigações mecanísticas. Em nosso trabalho, ao isolar os centros de reação de Mn em um ambiente proteico restrito, permitimos uma análise experimental detalhada dos intermediários gerados durante a progressão da reação,” explica Ueno.
Vale a pena notar que os resultados experimentais estavam em excelente concordância com os cálculos da mecânica quântica, validando a estratégia proposta. “Estabelecemos que, usando cristais de proteína como matriz, as reações do complexo de metal sintético podem ser estudadas, incluindo a determinação de quaisquer estruturas intermediárias,” conclui Ueno, “Este avanço tem o potencial de facilitar o design de metaloenzimas artificiais com mecanismos precisos, capacitando o design, o controle e o desenvolvimento de reações inovadoras.“
Concluindo, o método desenvolvido neste trabalho fornece uma avenida para o design inteligente de novos fármacos, catalisadores e sistemas enzimáticos envolvendo componentes não biológicos. Esperemos que esta nova ferramenta empurre muitos campos aplicados ainda mais em direção às tecnologias de próxima geração!
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