As células sintéticas, projetadas para imitar algumas das funções desempenhadas pelas células vivas, são promissoras para aplicações em biotecnologia e medicina. Mesmo as células biológicas mais pequenas, no entanto, são extremamente complexas e a construção de células artificiais vivas enfrenta numerosos obstáculos. Pesquisadores do Laboratório Schulman da Universidade Johns Hopkins progrediram recentemente em direção a um desses desafios: a troca de matéria e informação através dos limites das células.
Escrevendo em Os avanços da ciência, os pesquisadores – trabalhando em colaboração com o Grupo Aksimiev na Universidade de Illinois Urbana-Champaign – demonstram o transporte sem vazamentos de pequenas moléculas através de nanocanais de DNA projetados através de distâncias sem precedentes. No futuro, seu trabalho poderá auxiliar na construção de células artificiais, além de auxiliar no estudo e manipulação de tecidos vivos.
As células dentro dos organismos multicelulares precisam trocar matéria e se comunicar para garantir sua sobrevivência coletiva. Como cada célula está rodeada por uma membrana lipídica impenetrável a muitas moléculas biológicas, a evolução produziu mecanismos pelos quais esta barreira pode ser atravessada. Receptores de sinalização, transportadores e poros transmitem informações e permitem a passagem de moléculas entre as células e seu exterior, enquanto os contatos celulares, como junções comunicantes, conectam diretamente o interior das células vizinhas e permitem a difusão célula a célula de pequenas moléculas.
Para imitar estes processos em sistemas artificiais, “os investigadores desenvolveram células sintéticas posicionadas próximas umas das outras que podem comunicar através de poros proteicos nas suas membranas”, explica o primeiro autor Yi Li, que co-liderou o estudo. “No entanto, o desenvolvimento de sistemas celulares sintéticos onde as células possam comunicar e trocar materiais através de distâncias maiores ainda é um desafio.”
As estruturas proteicas que facilitam a comunicação entre células na biologia são construídas “de baixo para cima” a partir de aminoácidos – a informação codificada na sua sequência traduz-se numa estrutura. Outra macromolécula biológica, o DNA, é usada principalmente para armazenamento de informações nas células; mas devido à sua facilidade de síntese e ao potencial para formar estruturas de alto nível, o campo da nanotecnologia do ADN foi muito além da sua primeira prova de conceito há cerca de 30 anos. Desde então, os cientistas montaram estruturas 2D e 3D cada vez mais sofisticadas a partir do DNA, incluindo redes, tubos, corpos geométricos e até representações artísticas de rostos sorridentes, em esforços conhecidos como origami de DNA.
Em seu estudo, os pesquisadores do Laboratório Schulman combinaram nanoporos de origami de DNA, que conectam as membranas de vesículas semelhantes a células e criam pequenas aberturas para as moléculas cruzarem, com nanotubos de DNA automontados projetados. Ao quantificar o fluxo de uma molécula de corante nas vesículas, eles mostraram que nanoporos curtos tornavam a membrana permeável ao corante. Eles também validaram que a velocidade desse transporte é consistente com a difusão e descobriram que uma capa de DNA especialmente projetada pode bloquear os poros e impedir a entrada do corante.
A equipe então estendeu esse trabalho para nanotubos de DNA com comprimento médio de 700 nm e máximo de mais de 2 µm. Mais uma vez, as experiências mostraram que o influxo de corante é aumentado na presença das construções de ADN e que a tampa pode impedir a permeação. A implicação, diz Li, é que “pequenas moléculas podem passar através dos tubos sem fugas, e esperamos que moléculas grandes, como proteínas, também possam ser transportadas através destes nanotubos”.
Membros do Grupo Aksimentiev conduziram simulações computacionais de dinâmica browniana do sistema nanoporo-corante. Estes ilustraram que, para moléculas abaixo de um tamanho limite, o vazamento através da parede lateral do tubo de DNA dominava o influxo, enquanto para moléculas maiores, a difusão ponta a ponta torna-se o mecanismo preferido .
Li explica que tais simulações são complementares aos experimentos de duas maneiras. “Podem ser usados como ferramentas de design para ajudar os investigadores a projetar estruturas em nanoescala que tenham funções específicas”, diz, por exemplo, “simulando a cinética de automontagem das nossas nanoestruturas de ADN”, mas também ajudam a “validar resultados experimentais e fornecer insights adicionais sobre os processos físicos”.
Design de DNA faça você mesmo
Rebecca Schulman – que co-liderou a pesquisa – faz uma analogia com canos. “Este estudo sugere fortemente que é viável construir nanotubos que não vazem usando essas técnicas fáceis de automontagem, onde misturamos moléculas em uma solução e apenas as deixamos formar a estrutura que desejamos. No nosso caso, também podemos anexar esses tubos a diferentes pontos de extremidade para formar algo como um encanamento.”
O laboratório tem planos ambiciosos para aplicação desses nanotubos. “Desenvolvimentos futuros incluem conectar duas ou mais células artificiais com nossos nanotubos de DNA e mostrar o transporte molecular entre elas. Podemos potencialmente mostrar [que] o transporte de moléculas sinalizadoras de uma célula pode ativar/desativar a expressão genética em outra célula”, diz Li. Mundo da física. A equipe também espera “usar nanotubos para controlar a entrega de moléculas sinalizadoras ou terapêuticas às células de mamíferos, seja para estudar comportamentos de sinalização celular ou para desenvolver uma estratégia de entrega de medicamentos”.
