Duas linguagens moleculares na origem da vida foram recriadas com sucesso e validadas matematicamente, graças ao trabalho pioneiro de cientistas canadenses da Université de Montréal.

O estudo, "Programação de comunicação química : alostério vs. mecanismo multivalente", publicado em 15 de agosto de 2023 no Journal of the American Chemical Society , abre novas portas para o desenvolvimento de nanotecnologias com aplicações que vão desde biossensoriamento, administração de medicamentos e imagens moleculares .

Organismos vivos são compostos de bilhões de nanomáquinas e nanoestruturas que se comunicam para criar entidades de ordem superior capazes de fazer muitas coisas essenciais, como se mover, pensar, sobreviver e se reproduzir.

“A chave para o surgimento da vida depende do desenvolvimento de linguagens moleculares – também chamadas de mecanismos de sinalização – que garantem que todas as moléculas nos organismos vivos estejam trabalhando juntas para realizar tarefas específicas . ”, disse o investigador principal do estudo, professor de bioengenharia da UdeM, Alexis Vallée-Bélisle.

Nas leveduras, por exemplo, ao detectar e ligar um feromônio de acasalamento, bilhões de moléculas se comunicarão e coordenarão suas atividades para iniciar a união, disse Vallée-Bélisle, titular da Cátedra de Pesquisa do Canadá em Bioengenharia e Bionanotecnologia.

“À medida que entramos na era da nanotecnologia, muitos cientistas acreditam que a chave para projetar e programar nanossistemas artificiais mais complexos e úteis depende de nossa capacidade de entender e empregar melhor as linguagens moleculares desenvolvidas por organismos vivos”, disse ele.

Uma linguagem molecular bem conhecida é a alosteria. O mecanismo dessa linguagem é "chave-fechadura": uma molécula se liga e modifica a estrutura de outra molécula, direcionando-a para desencadear ou inibir uma atividade.

Outra linguagem molecular menos conhecida é a multivalência, também conhecida como efeito quelato. Funciona como um quebra-cabeça: conforme uma molécula se liga a outra, ela facilita (ou não) a ligação de uma terceira molécula simplesmente aumentando sua interface de ligação.

Embora essas duas linguagens sejam observadas em todos os sistemas moleculares de todos os organismos vivos, apenas recentemente os cientistas começaram a entender suas regras e princípios – e assim usar essas linguagens para projetar e programar novas nanotecnologias artificiais.

"Dada a complexidade dos nanossistemas naturais, até agora ninguém foi capaz de comparar as regras básicas, vantagens ou limitações dessas duas linguagens no mesmo sistema", disse Vallée-Bélisle.

Para isso, seu aluno de doutorado Dominic Lauzon, primeiro autor do estudo, teve a ideia de criar um sistema molecular baseado no DNA que pudesse funcionar nas duas linguagens. "O DNA é como peças de Lego para nanoengenheiros", disse Lauzon. "É uma molécula notável que oferece química simples, programável e fácil de usar."

Os pesquisadores descobriram que equações matemáticas simples poderiam muito bem descrever ambas as linguagens, o que desvendou os parâmetros e as regras de design para programar a comunicação entre as moléculas dentro de um nanossistema.

Por exemplo, enquanto a linguagem multivalente permitia o controle tanto da sensibilidade quanto da cooperatividade da ativação ou desativação das moléculas , a tradução alostérica correspondente permitia apenas o controle da sensibilidade da resposta.

Com esse novo entendimento em mãos, os pesquisadores usaram a linguagem da multivalência para projetar e projetar um sensor de anticorpo programável que permite a detecção de anticorpos em diferentes faixas de concentração.

“Como demonstrado pela recente pandemia, nossa capacidade de monitorar com precisão a concentração de anticorpos na população em geral é uma ferramenta poderosa para determinar a imunidade individual e coletiva das pessoas”, disse Vallée-Bélisle.

Além de expandir a caixa de ferramentas sintéticas para criar a próxima geração de nanotecnologia, a descoberta do cientista também esclarece por que alguns nanossistemas naturais podem ter selecionado uma linguagem em detrimento de outra para comunicar informações químicas.