(Nanowerk em destaque) Controlar o fluxo de moléculas através das membranas celulares é um processo basic na biologia, que os cientistas há muito buscam replicar e aprimorar por meios sintéticos. No centro desse esforço estão nanoporos – pequenos canais que regulam a passagem de íons, pequenas moléculas e até mesmo DNA através das membranas. Enquanto os nanoporos de proteínas naturais foram reaproveitados para aplicações inovadoras como Sequenciamento de DNAseus tamanhos pequenos e fixos limitam sua versatilidade, especialmente para transportar moléculas maiores, como proteínas ou compostos de drogas.
A busca pela superação dessas limitações levou os pesquisadores a explorar alternativas sintéticas, com Nanotecnologia de DNA emergindo como uma avenida promissora. O Técnica de origami de DNAque permite o dobramento preciso de fitas de DNA em estruturas 3D projetadas, permitiu a criação de nanoporos artificiais com dimensões maiores. No entanto, desenvolver nanoporos que podem mudar dinamicamente de tamanho enquanto mantêm a estabilidade em uma membrana lipídica continua sendo um desafio significativo.
Tentativas anteriores frequentemente resultavam em poros que eram muito pequenos para macromoléculas, estruturalmente instáveis ou incapazes de mudanças de tamanho reversíveis uma vez incorporados em uma membrana. Essas limitações têm dificultado o progresso em áreas como entrega controlada de medicamentos, classificação de biomoléculas e o desenvolvimento de sistemas celulares artificiais.
Avanços recentes no design de origami de DNA e nossa compreensão das interações da membrana lipídica agora pavimentaram o caminho para um avanço. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft e do Instituto Max Planck de Bioquímica desenvolveram um novo nanoporo de origami de DNA que pode alternar reversivelmente entre três tamanhos distintos, mesmo quando inserido em uma membrana lipídica. Este “MechanoPore” (MP) combina conceitos de nanotecnologia de DNA, engenharia mecânica e biologia sintética para obter mudanças de tamanho controladas que permitam o transporte seletivo de moléculas de tamanhos diferentes.
Os resultados publicados em Materiais avançados (“Nanoatuadores de origami de DNA compatíveis como nanoporos seletivos de tamanho”).

A equipe projetou seu MP com uma estrutura única que permite mudanças dinâmicas de forma. O nanoporo consiste em quatro subunidades em forma de L dispostas em uma configuração rômbica. Cada subunidade é composta de uma seção de barril transmembrana e uma tampa que repousa sobre a membrana. A chave para a flexibilidade do MP está na incorporação de segmentos de DNA de fita simples entre essas subunidades rígidas. Esses ligantes flexíveis agem como dobradiças, permitindo que a estrutura geral mude de forma em resposta a gatilhos específicos.
O diâmetro interno do MP pode variar de aproximadamente 11 nanômetros no estado fechado a 30 nanômetros quando totalmente aberto. Essa faixa de tamanho é particularmente significativa, pois abrange as dimensões de muitas moléculas biologicamente relevantes, de pequenas proteínas a complexos macromoleculares maiores.
Os pesquisadores usaram técnicas avançadas de imagem, incluindo microscopia de super-resolução (DNA-PAINT), para confirmar que os MPs poderiam adotar com sucesso suas conformações projetadas e alternar entre elas. No entanto, o teste actual veio ao inserir essas grandes estruturas de DNA em membranas lipídicas.
Usando uma técnica chamada encapsulamento contínuo de interface de gotículas cruzadas (cDICE), a equipe incorporou os MPs em vesículas unilamelares gigantes (GUVs) – estruturas artificiais semelhantes a células. Notavelmente, os MPs mantiveram sua capacidade de comutação dentro desse ambiente de membrana, superando a pressão lateral exercida pelos lipídios.
Para demonstrar a capacidade funcional de seus nanoporos, os pesquisadores usaram moléculas de dextrano marcadas com fluorescência de tamanhos variados como carga. Quando os poros estavam totalmente abertos, eles permitiam a passagem de dextranos de até 150 quilodaltons de tamanho. O estado intermediário permitia apenas dextranos de até 70 quilodaltons, enquanto o estado fechado bloqueava todos, exceto os menores dextranos de 10 quilodaltons.
A equipe também demonstrou que essas trocas conformacionais poderiam ser executadas repetidamente, com os MPs mantendo a funcionalidade mesmo após múltiplos ciclos de abertura e fechamento. Essa robustez é essential para potenciais aplicações do mundo actual.
As aplicações potenciais dessa tecnologia vão muito além da administração de fármacos e biossensores. Talvez o mais empolgante seja que esses nanoporos controláveis representam um avanço significativo no campo da biologia sintética, particularmente na criação de células artificiais com funções de membrana sofisticadas.
As células naturais desenvolveram sistemas complexos para common o que entra e sai de suas membranas. Com esses MechanoPores, estamos dando um grande passo em direção à replicação e até mesmo ao aprimoramento dessas funções em sistemas sintéticos. Isso pode levar a células artificiais capazes de executar tarefas que as células naturais não conseguem.
Por exemplo, esses nanoporos poderiam ser usados para criar compartimentos celulares artificiais que podem absorver seletivamente moléculas específicas com base em sinais ambientais. Isso poderia permitir o desenvolvimento de sistemas inteligentes de administração de medicamentos que liberam sua carga útil somente sob certas condições. Em aplicações mais avançadas, redes desses poros poderiam ser usadas para criar câmaras complexas de reação química dentro de células artificiais, potencialmente levando a novas maneiras de produzir produtos farmacêuticos ou outros compostos valiosos.
Além disso, a capacidade de controlar o transporte molecular com tal precisão abre novas possibilidades para estudar processos celulares. Pesquisadores poderiam usar esses nanoporos para investigar como mudanças na permeabilidade da membrana afetam o comportamento celular, potencialmente levando a novos insights sobre mecanismos de doenças ou resistência a medicamentos.
Este trabalho demonstra o poder das abordagens interdisciplinares na engenharia em nanoescala. Ao combinar princípios da nanotecnologia de DNA, engenharia mecânica e biofísica de membrana, os pesquisadores criaram um nanodispositivo funcional que expande os limites do que é possível no controle da matéria em escala molecular.
Por
Michael
Berger
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-Sociedade: Expandindo os Limites da Tecnologia,
Nanotecnologia: O Futuro é Pequenoe
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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