Uma pesquisa multinacional apresentou o primeiro exemplo de uma enzima sintética e abiótica em artigo publicado no dia 20 de julho na revista Nature Chemistry.
O trabalho envolveu os grupos liderados pelos professores André Farias de Moura (Universidade Federal de São Carlos), Hua Kuang (Jiangnan University, China) e Nicholas A. Kotov (University of Michigan, Estados Unidos). Moura é pesquisador do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF), um Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPID), apoiado pela FAPESP.
As enzimas são um dos pilares das diferentes formas de vida encontradas na biosfera terrestre e seu papel é controlar a velocidade de cada reação química que ocorre nas células e tecidos, garantindo um equilíbrio dinâmico entre elas.
Essas moléculas naturais estão entre os catalisadores mais eficientes conhecidos e um dos motivos dessa grande eficiência é o fato de que cada enzima foi sendo otimizada ao longo da evolução para uma reação específica, havendo, portanto, um número muito grande delas em qualquer organismo vivo conhecido.
A busca por enzimas sintéticas vem sendo feita há algum tempo, utilizando-se materiais os mais variados, entre os quais se destacam as nanopartículas de materiais cerâmicos e de metais. Qualquer que seja o material empregado, a dificuldade intrínseca é a mesma: descobrir para qual reação química aquele catalisador será ótimo, ou seja, trata-se de ajustar o catalisador a uma reação específica.
No caso da nova pesquisa, partiu-se de um material cerâmico bastante conhecido por suas propriedades de absorção e emissão de luz: os quantum dots (“pontos quânticos”) de telureto de cádmio (CdTe).
Quantum dots são partículas extremamente pequenas – no caso específico com cerca de 4,5 nanômetros –, o que permite que absorvam e emitam radiação na região da luz visível.
O material cerâmico em si até pode apresentar propriedades fotocatalíticas, mas para funcionar em sistemas biológicos era necessário aumentar a biocompatibilidade das nanopartículas e também a sua afinidade por biomoléculas.
“Ambos os efeitos foram conseguidos com um recobrimento da superfície das nanopartículas com um aminoácido natural, a cisteína. Note-se que a cisteína é uma molécula quiral, o que trouxe uma nova propriedade para o material: a absorção diferente de luz circularmente polarizada à direita ou à esquerda”, disse Moura ao CDMF.
O novo material apresentou uma especificidade para reações de quebra controlada de moléculas de DNA, cortando a dupla hélice de DNA sempre na mesma posição (o chamado sítio de restrição). Assim, produziu-se pela primeira vez uma nanozima (uma nanopartícula que funciona como uma enzima) capaz de fazer a quebra de DNA por fotocatálise com luz circularmente polarizada, de maneira específica e controlada, como faria uma endonuclease de restrição natural.
“Entre tantas aplicações potenciais, uma merece destaque: é possível ajustar uma nanozima para atacar um fragmento de material genético de agentes patogênicos (vírus, bactérias e protozoários), escolhendo um sítio de restrição que não exista no hospedeiro (seres humanos, animais ou plantas). Assim, teríamos como eliminar os agentes causadores de doenças afetando minimamente o doente. Soa promissor, mas primeiro precisamos compreender os mecanismos de funcionamento destas nanozimas e principalmente a origem de sua especificidade para um trecho específico do material genético”, disse Moura.
É neste ponto que entrou o trabalho da equipe brasileira, formada por Moura e Felippe Mariano Colombari, que desenvolveu modelos computacionais para demonstrar onde cada uma das quatro bases que formam o DNA interage com a nanozima.
O estudo utilizou uma quantidade expressiva de recursos computacionais de alto desempenho do supercomputador Santos Dumont (LNCC/MCTIC) e da Cloud@UFSCar, tendo sido avaliados cerca de 2 milhões de estruturas diferentes por meio de cálculos de química quântica.
O resultado foi definir de forma clara porque a nanozima ataca especificamente aquela região da molécula de DNA. Segundo os pesquisadores, baseados nos resultados da extensa modelagem computacional, novas nanozimas poderão ser dimensionadas para reações específicas, seja em sistemas biológicos ou em aplicações industriais.
O artigo Site-selective photoinduced cleavage and profiling of DNA by chiral semiconductor nanoparticles (Nature Chemistry, volume 10, 2018, páginas 821-830), de Maozhong Sun, Liguang Xu, Aihua Qu, Peng Zhao, Tiantian Hao, Wei Ma, Changlong Hao, Xiaodong Wen, Felippe M. Colombari, Andre F. de Moura, Nicholas A. Kotov, Chuanlai Xu e Hua Kuang, pode ser lido em: www.nature.com/articles/s41557-018-0083-y.
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