Um biossensor sintético que imita as propriedades encontradas nas membranas celulares e fornece uma leitura eletrônica da atividade pode levar a uma melhor compreensão da biologia celular, ao desenvolvimento de novos medicamentos e à criação de órgãos sensoriais em um chip capaz de detectar substâncias químicas, semelhante à forma como os narizes e as línguas funcionam.
Um estudo, “Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor vie Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode”, foi publicado em 18 de janeiro no Biologia sintética revista da American Chemical Society.
O feito de bioengenharia descrito no artigo usa biologia sintética para recriar uma membrana celular e suas proteínas incorporadas, que são guardiãs das funções celulares. Uma plataforma de detecção de condução permite uma leitura eletrônica quando uma proteína é ativada. Poder testar se e como uma molécula reage com proteínas em uma membrana celular pode gerar muitas aplicações.
Mas a incorporação de proteínas de membrana em sensores foi notoriamente difícil até que os autores do estudo combinaram sensores bioeletrônicos com uma nova abordagem para sintetizar proteínas.
“Essa tecnologia realmente nos permite estudar essas proteínas de maneiras que seriam incrivelmente desafiadoras, se não impossíveis, com a tecnologia atual”, disse o primeiro autor Zachary Manzer, estudante de doutorado no laboratório da autora sênior Susan Daniel, da Fred H. Rhodes Professor e diretor da Robert Frederick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering na Cornell Engineering.
As proteínas dentro das membranas celulares desempenham muitas funções importantes, incluindo a comunicação com o meio ambiente, catalisando reações químicas e movendo compostos e íons através das membranas. Quando um receptor de proteína de membrana é ativado, os íons carregados se movem através de um canal de membrana, desencadeando uma função na célula. Por exemplo, os neurônios do cérebro ou as células musculares disparam quando os sinais dos nervos sinalizam a abertura de canais de íons de cálcio carregados.
Os pesquisadores criaram um biossensor que começa com um polímero condutor, macio e fácil de trabalhar, sobre um suporte que, juntos, funcionam como um circuito elétrico monitorado por um computador. Uma camada de moléculas lipídicas (gorduras), que forma a membrana, fica no topo do polímero, e as proteínas de interesse são colocadas dentro dos lipídios.
Nesta prova de conceito, os pesquisadores criaram uma plataforma livre de células que lhes permitiu sintetizar uma proteína modelo diretamente nesta membrana artificial. O sistema possui uma tecnologia de leitura dupla incorporada. Como os componentes do sensor são transparentes, os pesquisadores podem usar técnicas ópticas, como proteínas de engenharia que fluorescem quando ativadas, o que permite aos cientistas estudar os fundamentos por meio de microscópio e observar o que acontece com o própria proteína durante um processo celular. Eles também podem registrar a atividade eletrônica para ver como a proteína está funcionando por meio de um projeto de circuito inteligente.
“Esta é realmente a primeira demonstração de alavancar a síntese livre de células de proteínas transmembrana em biossensores”, disse Daniel. “Não há razão para não podermos expressar muitos tipos diferentes de proteínas nesta plataforma geral.”
Atualmente, os pesquisadores usaram proteínas cultivadas e extraídas de células vivas para aplicações semelhantes, mas, com esse avanço, os usuários não precisarão cultivar proteínas nas células e depois colhê-las e incorporá-las na plataforma de membrana. Em vez disso, eles podem sintetizá-los diretamente do DNA, o modelo básico das proteínas.
“Podemos contornar todo o processo da célula como a fábrica que produz a proteína”, disse Daniel, “e biomanufaturar as proteínas nós mesmos”.
Com tal sistema, um químico de drogas interessado em uma determinada proteína implicada em uma doença pode fluir moléculas potencialmente terapêuticas através dessa proteína para ver como ela responde. Ou um cientista que procura criar um sensor ambiental poderia colocar na plataforma uma proteína específica sensível a um produto químico ou poluente, como as encontradas na água do lago.
“Se você pensar em seu nariz ou em sua língua, toda vez que cheira ou prova algo, os canais iônicos estão disparando”, disse Manzer. Os cientistas agora podem pegar as proteínas que são ativadas quando cheiramos algo e traduzir os resultados para este sistema eletrônico para sentir coisas que podem ser indetectáveis com um sensor químico.”
O novo sensor abre as portas para que os farmacologistas pesquisem como criar remédios não opioides para a dor, ou drogas para tratar o mal de Alzheimer ou o mal de Parkinson, que interagem com as proteínas da membrana celular.
Surajit Ghosh, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Daniel, é co-primeiro autor. Neha Kamat, professora assistente de engenharia biomédica na Northwestern University, é coautora sênior do artigo.
O estudo foi financiado pela National Science Foundation, pelo Air Force Office of Scientific Research, pela American Heart Association, pelo National Institute of General Medical Sciences e pela Defense Advanced Research Projects Agency.
Com informações de Science Daily.