Materiais e Máquinas Moleculares


“Há cerca de 10 mil anos, os humanos começaram a domesticar plantas e animais. Agora é hora de domesticar as moléculas“. Susan Lindquist, Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica, Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Por Shuguang Zhang *

Introdução

Ao imitarem a natureza, os cientistas estão desenvolvendo padrões moleculares completamente novos que podem servir de protótipo para novos materiais e máquinas moleculares sofisticadas. No emergente campo da nanotecnologia, os aminoácidos atuam como blocos naturais básicos usados para criar estruturas como peptídeos e proteínas para aplicação nas áreas de medicina e energia. Os nanobiotecnólogos começaram a explorar a automontagem molecular como uma ferramenta para a criação de novas nanobioestruturas, tais como nanotubos para fundição de metais, nanovesículas para encapsulação de medicamentos e matrizes de nanofibras para a formação de novos tecidos. Também construíram um fotossistema de densidade extremamente alta em nanoescala e máquinas moleculares ultraleves para captação de energia solar. Com a melhor compreensão desses fenômenos aparentemente intratáveis, um dia a humanidade será capaz de usar nanodispositivos para regenerar partes do corpo ou rejuvenescer a pele, aumentar a capacidade humana, utilizar a ilimitada energia solar e conseguir outros feitos que hoje parecem impossíveis.

Nanotecnologias

A biotecnologia, conhecida principalmente por sua aplicação nas áreas de medicina e agricultura, está se concentrando cada vez mais na criação de máquinas e materiais biológicos novos com uma impressionante diversidade de estruturas, funções e usos. O advento da nanotecnologia acelerou essa tendência. Aprendendo com a natureza, que por bilhões de anos moldou e burilou formas arquitetônicas moleculares para executar uma miríade de tarefas específicas, os nanobiotecnólogos estão desenvolvendo padrões moleculares completamente novos – pouco a pouco, de baixo para cima – para criar novos materiais e máquinas moleculares sofisticadas. Na próxima geração, alguns avanços, tais como novos materiais para regenerar tecidos lesados e máquinas moleculares para utilizar a energia solar a partir das menores moléculas de aminoácidos e lipídeos, provavelmente terão um impacto enorme em nossa sociedade e na economia mundial.

A moderna biotecnologia já produziu uma ampla gama de produtos úteis, a exemplo da insulina humanizada e novas vacinas. Mas o que vem pela frente pode ser até mesmo mais revolucionário. É por isso que governos pequenos e grandes e indústrias locais e globais estão buscando atrair cada vez mais talentos e investimentos em biotecnologia. Não há dúvida de que a biotecnologia, auxiliada pelas ferramentas da nanotecnologia, está se expandindo em ritmo acelerado, e o melhor ainda está por vir.

Imitando a Natureza

A natureza é o grande mestre quando se trata de criar materiais extraordinários e máquinas moleculares átomo por átomo, molécula por molécula. Conchas, pérolas, corais, ossos, dentes, madeira, seda, chifre, colágeno, fibras musculares e matrizes extracelulares são apenas alguns exemplos de materiais da natureza. Todos os conjuntos macromoleculares multifuncionais, tais como hemoglobina, polimerases e canais de membrana, são essencialmente máquinas moleculares admiravelmente projetadas.

Em bilhões de anos de seleção e evolução molecular, a natureza produziu um conjunto básico de blocos estruturais moleculares que compreendem 20 aminoácidos, alguns nucleotídeos – as unidades estruturais dos ácidos nucléicos, tais como o ácido ribonucléico (RNA) e o ácido desoxirribonucléico (DNA) – cerca de uma dezena de moléculas lipídicas e duas dezenas de açúcares. A partir desses blocos estruturais aparentemente simples, os processos naturais são capazes de criar uma faixa imensamente diversificada de unidades de fabricação que podem se auto-organizar em estruturas, máquinas moleculares e materiais refinados que não apenas têm alta precisão, flexibilidade e capacidade de correção de erros, mas também são auto-sustentáveis e estão sempre evoluindo. Por exemplo, em algumas bactérias e em todas as plantas verdes, os sistemas de fotossíntese captam a luz do sol e a convertem em energia química. Quando a luz solar é pouca, como, por exemplo, em águas profundas, os fotossistemas evoluem e tornam-se mais eficientes na captação da luz.

No início da década de 1990, os biotecnólogos começaram a aprender a manipular os blocos estruturais naturais com pelo menos uma dimensão importante entre um e 100 nanômetros (1 nanômetro = 1 bilionésimo de metro) para fabricar novas estruturas moleculares, conduzindo a ciência e tecnologia à era dos materiais moleculares projetados. Assim como é possível combinar argila e água para fazer tijolos de múltiplos usos que, por sua vez, podem ser usados para construir muros, como a Grande Muralha da China, casas ou estradas, os blocos estruturais naturais básicos, como os aminoácidos, podem ser usados para criar peptídeos, proteínas e outras estruturas que podem ser usadas para diversas finalidades. Por exemplo, os animais têm pelos ou lã para manter o corpo aquecido, os moluscos têm conchas para proteger seus tecidos, as aranhas tecem teias para capturar insetos e nossas células produzem colágeno para manter-se unidas e formar tecidos e órgãos.

Se encolhermos as unidades estruturais um bilhão de vezes, até o nível de nanoescala, poderemos construir materiais e máquinas moleculares a partir de unidades pré-fabricadas do mesmo modo que se monta uma casa com peças pré-fabricadas.

Os peptídeos formados a partir dos aminoácidos são unidades arquitetônicas moleculares que estão se mostrando muito úteis no desenvolvimento de novos materiais nanobiológicos. Na água e nos fluidos corporais, esses peptídeos formam matrizes de nanofibras bem ordenadas que são úteis para a formação de tecido tridimensional (3-D) e para a medicina regenerativa. Por exemplo, usando matrizes biológicas e células, os cientistas fabricaram cartilagens e ossos artificiais para substituir tecidos lesados. Além disso, eles também mostraram que as nanofibras de peptídeos podem se autoconectar e interromper um sangramento instantaneamente, característica muito útil nas cirurgias. Os novos peptídeos estão se mostrando especialmente úteis no transporte de medicamentos, proteínas e genes, porque podem encapsular alguns medicamentos insolúveis em água e levá-los para dentro das células e outras regiões do corpo. Também são essenciais para a fabricação de máquinas moleculares biossolares captadoras de energia que usam o fotossistema do espinafre e das folhas de árvores.

Automontagem molecular

Todas as biomoléculas, inclusive os peptídeos e as proteínas, interagem naturalmente e se auto-organizam para formar estruturas bem definidas com funções específicas. Ao observarem os processos pelos quais essas estruturas moleculares biológicas se unem na natureza, os nanobiotecnólogos começaram a explorar a automontagem molecular como uma ferramenta para a criação de novas nanobioestruturas tais como nanotubos para fundição de metais, nanovesículas para encapsulação de medicamentos e matrizes de nanofibras para a formação de novos tecidos.

A automontagem molecular envolve principalmente ligações fracas – como pessoas que dão as mãos – que podem ser feitas e desfeitas rapidamente. É muito diferente das fortes ligações que unem os braços ao nosso corpo. Individualmente, as forças moleculares fracas são insignificantes. Coletivamente, porém, interações fracas como a ligação do hidrogênio e a ligação iônica exercem um papel fundamental em todas as estruturas biológicas e suas interações. A ligação do hidrogênio mediada pela água, na qual as moléculas de água funcionam como uma ponte para conectar duas partes separadas, é particularmente importante para os sistemas biológicos, pois todos os materiais biológicos interagem com a água. Essa ligação, encontrada em todos os colágenos, atua no sentido de aumentar a umidade por mais tempo.

Quanto aos blocos estruturais moleculares, os peptídeos projetados lembram os tijolinhos do brinquedo Lego, que têm pinos e orifícios distribuídos de uma maneira precisamente determinada e podem ser conectados, formando estruturas bem definidas. Muitas vezes chamados de “peptídeos Lego”, esses novos tijolos moleculares, sob certas condições ambientais, juntam-se espontaneamente, formando nanoestruturas bem definidas.

Na água, as moléculas de peptídeos Lego se autoconectam, formando nanofibras bem ordenadas que depois se unem para formar matrizes. Um desses materiais de matriz de nanofibras que foi lançado no mercado é o PuraMatrix, assim chamado por causa de sua pureza como matriz biológica projetada por biotecnologia. Os pesquisadores biomédicos no mundo todo atualmente usam o PuraMatrix para estudar o câncer e as células-tronco, bem como para regenerar o tecido ósseo.

Como essas matrizes de nanofibras têm poros de 5 a 200 nanômetros e um teor extremamente alto de água, elas são potencialmente úteis na preparação de células e tecidos tridimensionais em medicina regenerativa. Além disso, o pequeno tamanho dos poros dessas matrizes permite que a liberação de medicamentos seja feita lentamente, para que as pessoas não precisem tomar seus remédios várias vezes por dia, mas apenas uma vez durante um período mais longo. Um dispositivo contendo uma nanomatriz de liberação lenta pode ser implantado na pele com um suprimento de medicamento suficiente para meses ou anos.

Criando mais blocos estruturais

Com os lipídeos da natureza como guia, projetou-se uma nova classe de detergentes de peptídicos similares aos lipídeos. Esses peptídeos têm de sete a oito aminoácidos – comprimento semelhante ao dos lipídeos que ocorrem naturalmente -, que formam paredes celulares 20 mil vezes mais finas que o diâmetro de um fio de cabelo humano.

Os detergentes peptídicos simples similares aos lipídeos produzem estruturas notavelmente complexas e dinâmicas do mesmo modo que os tijolos podem formar muitas estruturas arquitetônicas diferentes e distintas.

Alguns detergentes peptídicos são excelentes materiais para estabilizar proteínas de membrana notoriamente difíceis de estabilizar – moléculas de proteína ligadas ou associadas à membrana de uma célula -, abrindo assim um novo caminho para a superação de um dos maiores desafios da biologia: a obtenção de imagens nítidas de proteínas universais e vitais.

Muitos medicamentos exercem seus efeitos por meio das proteínas de membrana. Mas ainda não se sabe como eles interagem com as proteínas de membrana em nível molecular. Os detergentes peptídicos prometem mudar esse cenário. Se pudermos compreender a fundo as interações dessas proteínas, poderemos produzir medicamentos mais eficazes e eficientes praticamente sem efeitos colaterais.

Uso da energia solar

O estudo detalhado de como as proteínas de membrana funcionam é apenas um exercício para a sua compreensão. Ao aprofundarmos o conhecimento de como as células se comunicam com as estruturas adjacentes, descobriremos como todos os sistemas vivos respondem ao respectivo ambiente. Com esse conhecimento, os nanobiólogos modernos começaram a fabricar máquinas moleculares avançadas, capazes de desenvolver sensores extremamente sensíveis para detectar problemas de saúde ou utilizar a energia biossolar. Por exemplo, os médicos chineses da antiguidade costumavam cheirar o paciente para diagnosticar problemas de saúde porque acreditavam que a doença alterava o odor ou a secreção do corpo. A medicina moderna utiliza diversos instrumentos para obter diagnósticos precisos. No futuro, um sensor de odores tão sofisticado quanto o olfato de um cão poderá ajudar a distinguir as pessoas com problemas de saúde das pessoas saudáveis. No Reino Unido, os cães já demonstraram que são capazes de identificar pessoas que sofrem de câncer pelo seu odor.

Ninguém discute que, para o seu bem-estar, a civilização moderna precisa de energia acessível, sustentável e que não prejudique o meio ambiente. Em vista dos danos ambientais causados pela queima de combustíveis fósseis e do crescimento da demanda de energia no mundo todo, os problemas de energia são mais urgentes do que nunca. Soluções alternativas, há muito discutidas mas raramente postas em prática, agora estão sendo buscadas com urgência.

Além disso, o desenvolvimento da computação e das comunicações móveis e a nanonização de materiais e máquinas moleculares exigem fontes de energia menores, mais leves e auto-sustentáveis. Obviamente, uma fonte de energia infinita é o sol. A natureza produziu um sistema eficiente que converte fótons diretamente em elétrons e depois em energia química; as plantas verdes e outros organismos biológicos utilizam esse sistema há bilhões de anos.

A maior parte da energia da terra vem da fotossíntese realizada pelos fotossistemas, os sistemas de captação de energia mais eficientes que existem. Se descobrirmos um modo de utilizar a energia produzida pelos fotossistemas naturais, teremos uma fonte de energia limpa praticamente inesgotável.

Ao copiarem o fotossistema de captação de energia das bactérias e plantas verdes, os nanobiotecnólogos demonstraram que os fótons podem ser diretamente convertidos em elétrons por meio de máquinas moleculares biossolares recém-projetadas. Pela combinação de engenharia de precisão e da engenharia biológica do fotossistema, eles construíram um fotossistema de densidade extremamente alta em nanoescala e máquinas moleculares ultraleves para captação de energia solar.

Dois componentes principais são necessários para fabricar uma máquina molecular de captação de energia biossolar: um sistema de produção de energia biossolar (fotossistema) das folhas de plantas verdes e os detergentes peptídicos fabricados. Para a produção de energia biossolar, um fotossistema mais simples foi usado. Os cientistas originalmente purificaram o sistema de fotossíntese do espinafre, mas recentemente conseguiram purificar os sistemas de fotossíntese de algumas árvores como bordo, pinheiro e carvalho, bem como de folhas de bambu. O complexo do fotossistema inteiro – de apenas cerca de 20 nanômetros de altura – foi ancorado, voltado para cima, em uma superfície revestida de ouro.

A experimentação continua buscando meios de aumentar a quantidade e a duração da energia produzida por essa impressionante máquina molecular captadora de energia.

O que vem pela frente?

O desenvolvimento contínuo de materiais de nanobiotecnologia e máquinas moleculares aprofundará nossa compreensão de alguns fenômenos aparentemente intratáveis. A engenharia de nanoescala, por meio do projeto molecular de peptídeos capazes de se autoconectar, é uma tecnologia que provavelmente desempenhará um papel cada vez mais importante no futuro da biotecnologia e mudará nossa vida nas próximas décadas. Por exemplo, tecidos envelhecidos e lesados poderão ser substituídos por matrizes que simulam células para regenerar partes do corpo ou rejuvenescer a pele. Também poderemos nadar e mergulhar como golfinhos ou escalar montanhas com um dispositivo pulmonar que transporte um suprimento extra de oxigênio em uma nanomatriz. Não é impossível prever a pintura de carros e casas com máquinas moleculares fotossintéticas capazes de utilizar a ilimitada energia solar para todas as populações em cada canto do planeta, e não apenas para a minoria mais rica.

Estamos apenas no começo de uma grande jornada e faremos muitas descobertas inesperadas. Embora enfrentem muitos desafios, os nanotecnólogos procurarão resolver muitas questões relacionadas com a fabricação molecular de materiais compostos e máquinas moleculares. Os peptídeos de automontagem da biotecnologia podem ser considerados os blocos estruturais dos novos materiais e das futuras máquinas moleculares fabricadas pelo homem. Esses peptídeos também podem ser projetados de forma combinada para incorporar outros blocos estruturais como açúcares, lipídeos, ácidos nucléicos e um grande número de cristais de metais. A natureza nos inspirou e abriu a porta para os seus segredos. Depende de nossa imaginação expandir seus materiais e máquinas moleculares.

* Shuguang Zhang é diretor adjunto do Centro de Engenharia Biomédica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Nota

1. Artigo publicado originalmente em eJornalUSA

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