Universidade da Califórnia em Berkeley/Divulgação
Universidade da Califórnia em Berkeley/Divulgação

Pesquisadores transformam vírus em legos moleculares

Estudo feito nos EUA tenta imitar a natureza ao 'recriar' estruturas complexas de macromoléculas, como o colágeno, que são parte importante do funcionamento orgânico de animais e plantas

Estadão.com.br

19 de outubro de 2011 | 15h01

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, nos Estados Unidos, fizeram um vírus benigno se tornar uma ferramenta de engenharia utilizada para montagem de estruturas que imitam o colágeno, uma das proteínas mais importantes na natureza. O processo desenvolvido poderia até ser usado para a fabricação de materiais com propriedades ópticas ajustadas, biomédicas e mecânicas. O estudo foi divulgado nesta quarta, 20, pela revista Nature.

"Tiramos nossa inspiração da natureza", disse o pesquisador Lee Seung-Wuk, professor associado de bioengenharia da UC Berkeley e cientista do corpo docente da Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). "A natureza tem uma capacidade única de criar materiais funcionais a partir de blocos de construção muito básicos. Encontramos uma maneira de imitar a formação de diversas e complexas estruturas de macromoléculas helicoidais, como o colágeno, quitina e celulose, que são os blocos de construção primária para uma ampla variedade de materiais funcionais em animais e plantas".

O mandril, espécie de macaco de cara azul (Mandrillus sphinx), por exemplo, tem uma coloração que deriva não do pigmento, mas a partir do espalhamento de luz específico que é formado quando as fibras finas de colágeno são empacotadas, torcidas e sobrepostas em camadas da sua pele.

Em contraste, o alinhamento do colágeno na perpendicular, padrão estilo rede, cria transparência e é a base do tecido da córnea. E as fibras em formato de saca-rolhas, mineralizadas após interagirem com cálcio e fosfato, podem gerar partes mais difíceis do nosso corpo: ossos e dentes.

"O bloco de construção básico para todos estes materiais funcionais - córneas, pele e dentes - é exatamente o mesmo: colágeno", disse Lee. "Fiquei fascinado quando vi a cor da pele brilhante e os dentes afiados dos macacos de cara azul no zoológico de São Francisco. É impressionante como a maneira que as fibras de colágeno estão alinhadas, torcidas e moldadas, determinem suas funções ópticas e mecânicas. O que não havia sido bem entendido, porém, era como um bloco de construção simples poderia criar tais estruturas complexas com diversas funções", explica o pesquisador.

Os pesquisadores começaram a estudar os fatores que influenciam a formação de estruturas hierárquicas. "Percebemos como o colágeno é secretado em espaços confinados e como a sua montagem em tecidos pode ser influenciada pelo ambiente", disse Woo-Jae Chung, pesquisador pós-doutorado no laboratório de Lee. "Infelizmente, o colágeno é um material difícil de estudar porque é complicado ajustar suas estruturas físicas e químicas. Precisávamos de um sistema modelo que fosse conveniente para resolver o problema", explica.

O sistema era uma sopa de solução salina contendo concentrações variadas de um vírus comum que infecta bactérias: o bacteriófago M13. Os pesquisadores escolheram o vírus M13 - inofensivos aos seres humanos e um organismo modelo em laboratórios de pesquisa - por conta de seu formato com uma ranhura helicoidal na superfície que se assemelha às fibras colágenas.

A técnica desenvolvida pelos cientistas implica mergulhar uma folha plana de vidro dentro do banho viral, e então, lentamente, puxá-lo para fora a velocidades precisas. A folha emerge com um filme novo de vírus já ligado a ela. Seguindo um média de tempo de 10 a 100 micrômetros por minuto, tal operação poderia levar de 1 a 10 horas para uma folha inteira ser processada.

 

 

 

Ao ajustar a concentração de vírus na solução e da velocidade com que o vidro é puxado, os pesquisadores puderam controlar a viscosidade do líquido, a tensão da superfície e a taxa de evaporação durante o processo de crescimento do filme. Esses fatores determinaram o tipo de padrão formado pelos vírus. Os pesquisadores criaram três padrões distintos de filmes usando esta técnica.

Com uma concentração viral relativamente baixa, de até 1,5 miligramas por mililitro, bandas espaçadas contendo filamentos orientados em ângulos de 90 graus entre si foram sendo formadas.

O ritmo mais lento na hora de puxar o vidro ocasionou aumento nas restrições físicas ao movimento e orientação do vírus. Os vírus espontaneamente agrupados em conjunto, e a forma como a folha foi colocada, fez com que eles começassem a se torcer em formato de fitas helicoidais, muito parecido com aquelas fita enroladas que são usadas para embrulhos.

O padrão mais complexo - descrito pelos pesquisadores como "tipo ramen-noodle", que é aquele macarrão japonês fino e comprido -, foi formado usando concentrações virais que variam de 4 a 6 miligramas por mililitro. Com o auxílio da Fonte Luminosa Avançada da LBNL, os pesquisadores descobriram que esta estrutura altamente ordenada poderia curvar a luz como um prisma de maneiras nunca antes observadas na natureza ou em outros materiais de engenharia.

"Nós podemos determinar o tipo de estrutura que passa por essa técnica com o ajuste fino dos fatores que influenciam a cinética e a termodinâmica do processo de montagem", disse Chung. "Podemos controlar os níveis de direção da ordem, da torção, bem como a largura, a altura e o espaçamento dos padrões de filme".

Os pesquisadores revelaram ainda que o processo de montagem do vírus poderia ser usado em aplicações biomédicas. Ele montaram geneticamente o vírus para expressar os peptídeos específicos, que influenciam o crescimento dos tecidos moles e duros. Eles usaram os filmes virais resultantes como tecido-orientadores modelos para a biomineralização de fosfato de cálcio, formando um esmalte do dente tal como os compostos que no futuro poderiam ser aplicados da mesma forma que o material de tecido regenerativo.

A simplicidade da técnica é bem vista porque pode ser adaptada para uso na fabricação, dizem os pesquisadores. Uma vez que os parâmetros são definidos, é possível se afastar e deixar o processo de automontagem ser realizado.

"Nós executamos o experimento durante a noite e na manhã seguinte já existem trilhões de filamentos virais dispostos em padrões do nosso substrato", disse Lee. "Um dos aspectos mais importantes desse trabalho é que nós começamos a compreender a abordagem da natureza utilizada na criação de tais estruturas complexas, e temos desenvolvido uma maneira fácil de imitar e até estendê-la".

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