Por
Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa criaram gotículas sintéticas para estudar a quimiotaxia, imitando o movimento celular ao responder a gradientes químicos que poderiam explicar o movimento no início da vida e inspirar tecnologias futuras. Suas descobertas, usando gotículas que migram entre si devido a mudanças no pH e na tensão superficial, contribuem para a compreensão de processos biológicos fundamentais e para o desenvolvimento potencial de novas aplicações biotecnológicas.
Uma gota sintética poderia fornecer aos investigadores informações sobre como as formas mais básicas de vida na Terra podem interagir com o seu ambiente.
Nossos corpos consistem em trilhões de células diversas, cada uma desempenhando uma função específica para sustentar nossas vidas.
Como as células se movem dentro desses sistemas extremamente complicados? Como eles sabem para onde ir? E como eles ficaram tão complicados para começar? Questões simples mas profundas como estas estão no cerne da investigação básica movida pela curiosidade, que se concentra nos princípios fundamentais dos fenómenos naturais. Um exemplo importante é o processo pelo qual células ou organismos se movem em resposta a sinais químicos em seu ambiente, também conhecido como quimiotaxia.
As gotículas sintéticas contêm a enzima urease que catalisa a decomposição da ureia em amônia, que possui um alto valor de pH. As gotículas migram devido ao gradiente de pH, de baixo para alto, por causa do efeito Marangoni. Crédito: OIST
Uma constelação de pesquisadores de três unidades de pesquisa diferentes do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) se reuniu para responder questões básicas sobre quimiotaxia, criando gotículas sintéticas para imitar os fenômenos em laboratório, permitindo-lhes isolar, controlar e estudar com precisão. os fenômenos. Os seus resultados, que ajudam a responder questões sobre os princípios do movimento em sistemas biológicos simples, foram agora publicados no Jornal da Sociedade Química Americana.
“Mostramos que é possível fazer a migração de gotículas de proteínas por meio de interações químicas simples”, diz Alessandro Bevilacqua, estudante de doutorado na Unidade de Engenharia e Evolução de Proteínas e coautor do artigo. A professora Paola Laurino, chefe da unidade e autora principal, acrescenta que “criaram um sistema simples que imita um fenômeno muito complexo e que pode ser modulado por meio de atividade enzimática”.
Modelos numéricos que mostram o que acontece quando os halos de duas gotículas sintéticas interagem. O pH no espaço entre as gotículas é mais alto (e a tensão superficial é mais baixa), o que faz com que as gotículas migrem umas em direção às outras, mantendo sua forma esférica, pois o pH é mais baixo dentro das gotículas, até que elas se encontrem e se fundam. Gotículas maiores atraem gotículas menores.
Crédito: OIST
Tensões na superfície
Embora o processo de criação de gotículas possa não parecer a tarefa mais complicada, imitar processos biológicos o mais próximo possível da realidade e, ao mesmo tempo, manter um controle preciso sobre todas as variáveis certamente é. As gotículas sintéticas sem membrana contêm uma concentração muito elevada de proteína bovina BSA para imitar as condições de aglomeração dentro das células, bem como urease, uma enzima que catalisa a decomposição da ureia em amônia.
A amônia é básica, o que significa que tem um alto valor de pH. À medida que a enzima catalisa gradualmente a produção de amônia, ela se difunde na solução, criando um “halo” de pH mais elevado ao redor da gota, o que por sua vez permite que as gotas detectem outras gotas e migrem umas em direção às outras.
Os pesquisadores descobriram que a chave para entender a quimiotaxia das gotículas é o gradiente de pH, pois facilita o efeito Marangoni, que descreve como as moléculas fluem de áreas de alta tensão superficial para baixas. A tensão superficial é a medida da energia necessária para manter as moléculas unidas na superfície, como a cola. Quando o pH aumenta, essa cola enfraquece, fazendo com que as moléculas se espalhem e diminuindo a tensão superficial, o que, por sua vez, facilita o movimento das moléculas. Você pode ver isso adicionando sabão, que tem pH alto, em uma das extremidades de uma banheira com água sem gás: a água fluirá para a extremidade com sabão por causa do efeito Marangoni.
Como as gotículas se movem e o que determina sua direção? Cada gota verde está densamente repleta de proteínas, bem como de uma enzima que aumenta o valor do pH dentro e ao redor da gota, o que pode levar à resposta a essas perguntas. Crédito: OIST
Quando duas gotículas sintéticas estão próximas o suficiente, seus halos interagem, elevando o pH do ambiente entre elas, o que as faz mover-se juntas. Como a tensão superficial ainda é forte nas extremidades opostas das gotículas, elas mantêm sua forma até que as superfícies se toquem e as forças coesivas dentro das gotículas superem a tensão superficial, fazendo com que elas se fundam. Como as gotículas maiores produzem mais amônia e têm uma área superficial maior (o que diminui a tensão superficial), elas atraem gotículas menores que elas mesmas.
Colaborando na sopa antiga e na biotecnologia do futuro
Graças ao desenvolvimento destas gotículas, os investigadores fizeram progressos na resposta a questões básicas sobre o movimento biológico – e ao fazê-lo, ganharam conhecimentos sobre o movimento dirigido das primeiras formas de vida na sopa primordial há milhares de milhões de anos, como bem como uma liderança na criação de novos materiais de inspiração biológica.
Nosso conhecimento da vida como era há bilhões de anos é, na melhor das hipóteses, confuso. Uma hipótese proeminente é que a vida se originou nos oceanos, à medida que as moléculas orgânicas se juntaram gradualmente e se tornaram mais sofisticadas numa “sopa primordial” – e isto poderia ter sido facilitado pela quimiotaxia através do efeito Marangoni. “Teria sido benéfico para as gotículas ter esse mecanismo de migração no hipotético cenário de origem da vida”, como afirma o professor Laurino. Esta migração poderia ter desencadeado a formação de vias metabólicas primitivas pelas quais as enzimas catalisam uma variedade de substâncias que, em última análise, produzem um gradiente químico que une as gotículas, levando a comunidades maiores e mais sofisticadas.
A pesquisa também aponta para o futuro, fornecendo pistas sobre novas tecnologias. “Um exemplo é a criação de materiais responsivos inspirados na biologia”, sugere Alessandro Bevilacqua. “Mostramos como gotículas simples podem migrar graças a um gradiente químico. Uma aplicação futura disso poderia ser tecnologias que detectem ou reajam a gradientes químicos, por exemplo, em microrobótica ou distribuição de medicamentos.”
O trabalho de produção e análise das gotículas sintéticas é o resultado de uma combinação de interdisciplinaridade profundamente integrada e dos fatores humanos que sustentam o trabalho científico. O projeto começou durante a pandemia do coronavírus, quando um membro da Unidade de Engenharia e Evolução de Proteínas estava em quarentena com um membro da Unidade de Fluidos e Fluxos Complexos. Os dois começaram a conversar e, embora as duas unidades sejam de áreas distintas – bioquímica e mecânica, respectivamente – o projeto evoluiu em conjunto. Eventualmente, membros da Unidade de Micro/Bio/Nanofluídica juntaram-se ao projeto com medições sofisticadas da tensão superficial das gotículas.
O ambiente único de pesquisa não disciplinar no OIST catalisou a colaboração. Como afirma o professor Laurino, “este projeto nunca poderia ter existido se estivéssemos separados por departamentos. Não tem sido uma colaboração fácil, porque comunicamos o nosso campo de maneiras muito diferentes – mas estar fisicamente próximos tornou tudo significativamente mais fácil.”
Alessandro Bevilacqua complementa: “O fator café tem sido muito importante. Poder conversar com outros membros da unidade tornou o processo muito mais rápido e produtivo.” A sua cooperação não termina aqui – pelo contrário, este documento é o início de uma parceria frutífera entre as três unidades. “Vemos muita sinergia em nosso trabalho e trabalhamos juntos de forma eficaz e eficiente. Não vejo razão para pararmos”, afirma o professor Laurino. É graças aos esforços combinados das três unidades que agora sabemos mais sobre os mínimos movimentos da vida na escala menor, mais antiga e possivelmente futura.
Referência: “Interações quimiotáticas impulsionam a migração de gotículas ativas sem membrana” por Mirco Dindo, Alessandro Bevilacqua, Giovanni Soligo, Vincenzo Calabrese, Alessandro Monti, Amy Q. Shen, Marco Edoardo Rosti e Paola Laurino, 15 de abril de 2024, Jornal da Sociedade Química Americana.
DOI: 10.1021/jacs.4c02823
O estudo foi financiado pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência, pela Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, pela Fundação Takeda e pela Infraestrutura de Computação de Alto Desempenho.
