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‘Bactérias biônicas’: cientistas conectam matéria animada e inanimada, criando componentes híbridos com ampla gama de aplicações

Fonte

Technion | Instituto de Tecnologia de Israel

Data

terça-feira, 31 maio 2022 16:00

Áreas

Biologia. Biomedicina. Bioquímica. Biotecnologia. Desenvolvimento de Fármacos. Medicina de Precisão. Microbiologia. Nanotecnologia. Proteômica. Química Medicinal.

Pesquisadores da Faculdade de Biotecnologia e Engenharia de Alimentos do Instituto de Tecnologia de Israel (Technion) desenvolveram ‘bactérias biônicas’. A tecnologia inovadora tem muitas aplicações potenciais na indústria (por exemplo, na produção aprimorada de compostos quirais e combustíveis), no meio ambiente (por exemplo, na detecção de substâncias perigosas usando bactérias) e na medicina de precisão (por exemplo, na liberação direcionada de drogas biológicas usando a luz).

O estudo foi liderado pelo professor Dr. Omer Yehezkeli e pelo doutorando Oren Bachar, com coautoria do doutorando Matan Meirovich e da mestranda Yara Zeibaq. Os resultados foram publicados na revista científica Angewandte Chemie International Edition.

“Meu grupo de pesquisa lida com a interface entre engenharia e biotecnologia em nível de nanoescala. Nosso objetivo é expandir as fronteiras atuais entre as diferentes disciplinas e principalmente entre materiais nanométricos e sistemas biológicos, como bactérias. Em nossa pesquisa, usamos as propriedades únicas das partículas em nanoescala, por um lado, e a tremenda seletividade dos sistemas biológicos, por outro, para criar sistemas biônicos que funcionam sinergicamente”, explicou o professor Omer Yehezkeli.

Partículas semicondutoras em nanoescala são geralmente produzidas em processos químicos que requerem altas temperaturas e solventes orgânicos. No estudo atual, os pesquisadores conseguiram criar, usando proteínas transformadas artificialmente, um ambiente que permite o crescimento de partículas nanométricas em condições biológicas e à temperatura ambiente. Por sua vez, as nanopartículas cultivadas podem levar a processos induzidos pela luz em componentes biológicos.

“O uso de proteínas projetadas para o autocrescimento de nanomateriais é uma estratégia promissora que abre novos horizontes científicos para combinar matéria inanimada e viva. No estudo atual, demonstramos o uso de proteínas projetadas para cultivar nanopartículas de CdS capazes de reciclar NADPH por meio de radiação de luz. O NADPH é crucial em muitos processos enzimáticos e, portanto, sua geração é desejada”, disse o professor Yehezkeli.

As enzimas são um componente biológico comum envolvido em todas as funções das células vivas. São estruturas proteicas que impulsionam ações desejáveis, criando um ambiente bioquímico adequado. Bilhões de anos de evolução levaram ao desenvolvimento de um amplo espectro de enzimas responsáveis ​​pelas muitas e variadas funções na célula.

No estudo, os pesquisadores mostraram que o NADPH pode ser produzido (reciclado) usando a proteína SP1 geneticamente modificada. Essa proteína é composta por 12 subunidades repetidas que formam uma estrutura toroidal (em forma de ‘rosca’) com um furo de 3 nanômetros. Usando ferramentas de Engenharia Biotecnológica, os pesquisadores fizeram alterações nas subunidades para permitir o crescimento de uma partícula nanométrica na cavidade da proteína. A partícula resultante pode ser ativada pela luz para induzir um fluxo de elétrons. Esses elétrons são então utilizados para a ativação da enzima redox para a produção de produtos quirais (que possuem uma molécula ‘espelho’ – a mesma molécula, mas na direção oposta).

O sistema híbrido ‘nano-bio’ desenvolvido consiste em enzimas e nanopartículas e opera sob luz visível por pelo menos 22 horas para produzir um produto quiral ‘limpo’ (acima de 99%) e com uma eficiência de conversão do substrato chegando a 82%.

“Esta é uma demonstração preliminar da conexão direta da matéria inanimada (abiótica) com a matéria viva (biótica) e uma plataforma para sua operação de uma forma que não existe na natureza. A tecnologia que desenvolvemos permite a criação de componentes híbridos que conectam esses dois tipos de materiais em uma unidade, e já estamos trabalhando em células vivas totalmente integradas, com resultados iniciais promissores. Acreditamos que além do sucesso tecnológico específico na produção de NADPH e na produção de materiais quirais, há evidências da viabilidade de um novo paradigma que pode contribuir muito para melhorar o desempenho em muitas áreas, incluindo energia, medicina e meio ambiente”, concluiu o professor Omer Yehezkeli.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Israel (em inglês).

Fonte: Instituto de Tecnologia de Israel. Imagem: Ilustração descreve como a nanopartícula se forma na cavidade da proteína e é subsequentemente ativada por uma reação induzida pela luz para ativar as enzimas NADPH redutase (FNR) e imina redutase, que levam à formação de aminas cíclicas quirais. Fonte: Neta Kasher, Technion.

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