Uma equipe internacional de cientistas desenvolveu recentemente um novo nanomotor feito de DNA. É alimentado por um mecanismo engenhoso que permite movimentos pulsantes. Os pesquisadores agora planejam equipá-lo com um acoplador e usá-lo como driver para nanomáquinas complexas. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Nanotechnology em 19 de outubro.
Petr Šulc, professor assistente da Escola de Ciências Moleculares da Universidade Estadual do Arizona e do Centro de Biodesign para Design Molecular e Biomimética, colaborou no projeto com o Professor Famulok (líder do projeto) da Universidade de Bonn, Alemanha, e o Professor Walter da Universidade de Michigan.
Šulc usou as ferramentas de modelagem computacional de seu grupo de pesquisa para obter informações sobre o projeto e a operação deste nanomotor de folha e mola. A estrutura consiste em quase 14.000 nucleotídeos, que formam os blocos básicos de construção do DNA.
Šulc explica: "Sem oxDNA, o modelo de computador usado pelo nosso grupo para projetar nanoestruturas de DNA, teria sido impossível simular o movimento de nanoestruturas tão grandes. Esta é a primeira vez que um motor de nanotecnologia de DNA acionado quimicamente foi projetado com sucesso. Estamos satisfeitos que nosso método de pesquisa tenha contribuído para seu estudo e esperamos fabricar nanodispositivos mais complexos no futuro. "
Este novo motor é semelhante a um treinador de preensão manual e pode aumentar a força de preensão com o uso regular. No entanto, este motor é cerca de um milhão de vezes menor. As duas alças são conectadas em uma estrutura em forma de V por molas.
Em um treinador de preensão manual, as alças são comprimidas sob a resistência de uma mola. Depois de soltá-la, uma mola empurra a alça de volta ao lugar. “Nosso motor usa um princípio muito semelhante”, disse o professor Michael Famulok, do Instituto de Ciências Médicas e da Vida (LIMES) da Universidade de Bonn. "Mas as alças não são pressionadas, mas unidas."
Os pesquisadores adaptaram um mecanismo sem o qual não existiriam plantas ou animais na Terra. Cada cela está equipada com uma biblioteca. Ele contém os planos para os vários tipos de proteínas que cada célula precisa para desempenhar suas funções. Se uma célula deseja produzir um determinado tipo de proteína, ela faz uma cópia do modelo correspondente. Esta transcrição é produzida por uma enzima chamada RNA polimerase.
O projeto original consiste em longos filamentos de DNA. A RNA polimerase se move ao longo dessas fitas, copiando as informações armazenadas letra por letra. “Conectamos a RNA polimerase a uma alça da nanomáquina”, explica Famulok, que também é membro das áreas de pesquisa interdisciplinar “Vida e Saúde” e “Matéria” da Universidade de Bonn. “Entre as duas alças, também temos uma fita de DNA fortemente conectada. A polimerase agarra essa fita e a copia.
A fita de DNA entre as alças contém uma sequência especial de letras pouco antes do final. Essa chamada sequência de terminação sinaliza à polimerase para liberar o DNA. A mola agora pode relaxar novamente e separar as alças. Dessa forma, a sequência inicial da cadeia fica próxima da polimerase, e o replicador molecular pode iniciar um novo processo de transcrição: e assim por diante. “Desta forma, nossos nanomotores podem realizar ações pulsantes”, explica Mathias Centola, do grupo de pesquisa liderado pelo professor Famulok.
Como outros tipos de motores, este tipo de motor requer energia. A energia é fornecida pela “sopa de letrinhas” de transcrições produzidas pelas polimerases. Cada letra (termo técnico: nucleotídeo) possui uma pequena cauda composta por três grupos fosfato - um trifosfato. Para anexar uma nova letra a uma frase existente, a polimerase deve remover dela dois grupos fosfato. Isso libera energia, que é usada para conectar as letras. "Portanto, nosso motor usa trifosfatos de nucleotídeos como combustível. Ele só pode continuar a funcionar quando houver quantidades suficientes de trifosfatos de nucleotídeos."
Os pesquisadores conseguiram mostrar que o motor poderia ser facilmente combinado com outras estruturas. Isso tornaria possível, por exemplo, vagar pelas superfícies – semelhante a uma lagarta puxando-se ao longo de um galho de maneira característica. “Também planejamos produzir uma embreagem para que possamos usar a potência do motor apenas em determinados momentos e deixá-lo em marcha lenta em outros momentos”, explicou Famlock. No longo prazo, os motores poderão tornar-se o núcleo de nanomáquinas complexas. No entanto, ainda temos muito trabalho a fazer antes de chegarmos a esta fase. "
O laboratório de Šulc é um laboratório altamente interdisciplinar que aplica física estatística e métodos de modelagem computacional a uma ampla gama de problemas nas áreas de química, biologia e nanotecnologia. O grupo de pesquisa desenvolveu novos modelos multiescala para estudar interações entre biomoléculas, particularmente no projeto e modelagem de nanoestruturas e dispositivos de DNA e RNA.
"Assim como as máquinas complexas que usamos todos os dias - os chips em aviões, carros e eletrônicos - exigem ferramentas sofisticadas de design auxiliado por computador para garantir que funcionem como pretendido, o campo da ciência molecular precisa desesperadamente de acesso a tais métodos." A professora Tijana Rajh, reitora da Escola de Ciências Moleculares, disse: "Petr Šulc e seu grupo de pesquisa estão conduzindo pesquisas científicas moleculares altamente inovadoras, usando métodos de química e física computacional para estudar moléculas de DNA e RNA no contexto da biologia e da nanotecnologia. Nosso jovem corpo docente da Escola de Ciências Moleculares alcançou resultados extraordinários, e o professor Šulc é um bom exemplo disso."
DNA e RNA são as moléculas básicas da vida. Eles desempenham uma variedade de funções, incluindo armazenamento e transferência de informações em células vivas. Eles também têm amplas perspectivas de aplicação no campo da nanotecnologia, onde cadeias projetadas de DNA e RNA podem ser usadas para montar estruturas e dispositivos em nanoescala. É um pouco como brincar com Lego, exceto que cada peça de Lego tem apenas alguns nanômetros (milionésimos de milímetro) de tamanho. Em vez de colocar cada tijolo onde deveria ir, você os coloca em uma caixa e os sacode até que saia apenas a estrutura desejada.
“Existem muitas aplicações promissoras nesta área, incluindo diagnóstico, terapêutica, robótica molecular e construção de novos materiais”, disse Šulc. "Meu laboratório desenvolveu o software para projetar esses blocos de construção, e trabalhamos em estreita colaboração com grupos experimentais da Universidade do Arizona e de outras universidades nos Estados Unidos e na Europa. À medida que o campo continua a avançar e implementamos novos projetos avançados e os executamos com sucesso em nanoescala, é emocionante ver nossos métodos sendo usados para projetar e caracterizar nanoestruturas cada vez mais complexas."