Como fazer as moléculas moverem-se
Químicos desenvolvem um sistema molecular artificial que se move de forma autónoma
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Uma equipa da Universidade de Ulm conseguiu desenvolver um minúsculo sistema molecular que se move de forma autónoma ao longo de um percurso pré-definido – impulsionado por combustível químico e sem controlo externo das etapas individuais. Este trabalho preenche uma lacuna na investigação sobre máquinas moleculares artificiais. No futuro, este princípio poderá ajudar a produzir moléculas que são difíceis de obter por meios convencionais. A revista científica *Nature Chemistry* publicou agora os resultados.
Na natureza, em cada célula funcionam pequenas máquinas moleculares: as chamadas proteínas motoras, como a cinesina ou a miosina, transportam substâncias, possibilitam os movimentos musculares e participam na divisão celular. Ao fazê-lo, estas proteínas deslocam-se ao longo de fibras proteicas, como se caminhassem sobre duas pernas. São impulsionadas pela energia fornecida por uma molécula produzida pelo próprio organismo. Há muito que os químicos tentam reproduzir esses movimentos com máquinas moleculares artificiais. «No entanto, todos os "corredores" conhecidos até agora tinham de ser controlados a partir do exterior, por exemplo, através da adição de substâncias químicas, luz ou um campo elétrico», explica Max von Delius. O professor do Instituto de Química Orgânica I da Universidade de Ulm já tinha conseguido, em 2010, durante o seu doutoramento em Edimburgo, fazer com que as primeiras moléculas do mundo «corressem» ao longo de um pequeno percurso molecular. No estudo atual, por ele coordenado, conseguiu-se agora dar o passo rumo à autonomia: «O nosso corredor move-se por si próprio, desde que se lhe forneça combustível.»
Como é que o corredor se põe em movimento?
Os investigadores utilizam como «corredor» um grupo fosfato composto por um átomo de fósforo e quatro átomos de oxigénio. Este grupo é um importante componente biológico e está envolvido em praticamente todos os processos metabólicos. Também os dois percursos na configuração experimental dos investigadores de Ulm são constituídos por substâncias naturais: a glicerina, um componente lipídico com três pontos de ligação possíveis para o grupo fosfato, e o inositol, um derivado do açúcar que oferece cinco pontos de ligação.
«Para que o nosso grupo fosfato possa dar um passo nestas vias, tem de quebrar uma ligação à via molecular — praticamente levantar um pé — e estabelecer uma nova ligação no degrau seguinte», explica von Delius. «O desafio reside no facto de essas ligações serem extremamente estáveis. Normalmente, só se rompem de forma extremamente lenta. Matematicamente, demora cerca de 140 000 anos até que metade delas se tenha decomposto. Para o nosso património genético, esta inércia é benéfica. Mas para um corredor que tem de dar vários passos por hora, é um desastre.»
Os investigadores encontraram uma forma de ultrapassar este obstáculo num princípio de reação que também é conhecido do ARN: Quando o grupo fosfato se liga a dois grupos adjacentes, cada um composto por um átomo de oxigénio e um de hidrogénio (grupos OH), forma-se uma estrutura anelar que fica sob tensão, «como uma besta carregada», segundo Delius – e, nessa estrutura, uma das duas ligações se rompe em questão de minutos.
Passo a passo – sem sair dos eixos
Assim, um passo do corredor decorre da seguinte forma: em termos figurativos, o grupo fosfato começa por estar completamente relaxado, com um pé na sua trajetória. Quando os investigadores adicionam então um combustível – carbodiimida solúvel em água (EDC) –, este ativa o grupo fosfato para que este se encaixe com um segundo pé na posição seguinte. Forma-se então a já mencionada ligação anular tensa, na qual o grupo fosfato fica ligado simultaneamente a dois pontos vizinhos durante um breve período – até que a água permita a quebra de uma ligação. «O pé de trás levanta-se, o da frente fica parado e o grupo fosfato avança uma posição, sem nunca sair completamente dos carris. Com o próximo ciclo de reação, segue-se o passo seguinte», explica von Delius.
«O nosso estudo comprova claramente o efeito do combustível», afirma o primeiro autor, Patrick Alexander Hoffmann, do Instituto de Química Orgânica I. «Sem combustível, ao longo de semanas, 90 por cento das moléculas de fosfato acumulam-se na extremidade exterior da via de glicerina, na posição energeticamente mais favorável para elas. Com combustível, pelo contrário, após cerca de duas horas, 64 por cento encontram-se na posição central, menos estável. O combustível impulsiona o sistema para um estado que este dificilmente alcançaria por si só — de certa forma, a subir uma ladeira.» Na estrutura mais longa de inositol, o efeito revelou-se ainda mais evidente: sem combustível, o grupo fosfato não se deslocou de todo, mesmo após oito semanas. Com combustível, percorreu todas as cinco posições possíveis – num total de quatro passos.
Se for adicionado combustível de forma contínua, este estado mantém-se durante horas. Os «corredores» avançam então constantemente – tal como num motor biológico. «Calculámos que a quantidade de substância de um mol de corredores — cerca de 200 gramas — percorre, no total, uma distância líquida de cerca de 8,3 milhões de quilómetros por segundo», afirmou von Delius. «Além disso, o combustível é notavelmente eficiente: até 19 em cada 100 moléculas de combustível consumidas resultam num passo bem-sucedido.»
O trabalho preenche uma lacuna na investigação
«O sistema reúne, pela primeira vez, três propriedades decisivas: processividade, autonomia e assimetria cinética», explica von Delius. Isto significa que o corredor permanece ligado à sua trajetória, move-se de forma autónoma enquanto houver combustível e é impulsionado para fora da sua distribuição natural de repouso pelo fornecimento de energia. Com esta demonstração, o trabalho colmata uma lacuna que existia há muitos anos no campo das máquinas moleculares. «O ciclo de reação desenvolvido poderá ajudar a produzir princípios ativos de difícil acesso, utilizando combustível para colocar um grupo fosfato numa posição que, em princípio, seria desfavorável, ou seja, fazendo-o, por assim dizer, “subir a colina”», explica von Delius. A longo prazo, os investigadores pretendem ainda fazer com que os seus «corredores» se movam de forma direcionada exclusivamente numa direção e transportem substâncias moleculares. Os trabalhos foram financiados pelo Conselho Europeu de Investigação (ERC) e pela Comunidade Alemã de Investigação (DFG).
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