Um cavalo de Troia para os aminoácidos artificiais

A vida utiliza 20 blocos de construção de aminoácidos, a partir dos quais as proteínas são montadas. Embora a limitação do número a 20 blocos de construção permita uma grande variedade de estruturas e funções das proteínas, também estabelece limites químicos claros. No entanto, em laboratório, os químicos podem teoricamente sintetizar milhares de aminoácidos artificiais, muitos dos quais com propriedades completamente novas.

Estes blocos de construção artificiais podem ser especificamente incorporados em proteínas de células vivas utilizando métodos biotecnológicos. "As proteínas com aminoácidos não naturais especificamente inseridos abrem muitas novas possibilidades, tanto para aplicações médicas e industriais como para a investigação científica", explica Kathrin Lang, Professora de Biologia Química na ETH Zurich.

Novas terapêuticas e enzimas poderosas

Os aminoácidos artificiais abrem novas possibilidades em todas as áreas de aplicações baseadas em proteínas. Graças a grupos químicos adicionais, as proteínas terapêuticas podem funcionar mais eficazmente e de forma mais direcionada. Componentes fluorescentes ou moléculas com átomos como o cloro ou o flúor, que normalmente não ocorrem nas proteínas, podem melhorar as técnicas de imagiologia em medicina e investigação. Estão a tornar-se possíveis enzimas com novas capacidades catalíticas, e podem ser utilizados aminoácidos específicos de reticulação para fabricar proteínas que funcionem eficientemente mesmo em condições externas extremas, como o calor ou a pressão. Além disso, grupos de acoplamento especiais permitem a ligação de substâncias activas a proteínas transportadoras para um transporte fiável de medicamentos para tecidos doentes.

Sequestro de um sistema de transporte bacteriano

Até à data, a inserção orientada de aminoácidos sintéticos em proteínas tem sido significativamente menos eficiente do que a produção de proteínas que contêm apenas os 20 aminoácidos naturais. Por conseguinte, as aplicações têm sido geralmente limitadas a projectos de investigação em pequena escala. Um estrangulamento significativo é o facto de, frequentemente, apenas quantidades muito pequenas de aminoácidos não naturais entrarem nas bactérias utilizadas para a produção biotecnológica.

Atualmente, o grupo de Lang desenvolveu uma solução que permite a introdução eficaz de aminoácidos artificiais nas bactérias. Isto significa que a "caixa de ferramentas de aminoácidos" pode ser alargada de forma viável para uma utilização generalizada na medicina e na indústria biotecnológica. Para o efeito, os investigadores desviaram um sistema de transporte natural da bactéria E. coli. Este sistema serve normalmente para transportar para a célula fragmentos curtos de proteínas, conhecidos como péptidos, a partir da área circundante.

O sistema de transporte é composto por duas unidades: um canal na membrana celular e um componente de transporte. A unidade de transporte reconhece os péptidos com um comprimento de três ou quatro aminoácidos e entrega-os ao canal, que os canaliza para o interior da célula. Uma vez lá, os péptidos são decompostos nos seus blocos de aminoácidos individuais. Estes são depois disponibilizados à maquinaria celular para a síntese de novas proteínas. Como o sistema tem de funcionar com todas as combinações naturais de aminoácidos, não é particularmente exigente. Os péptidos que contêm aminoácidos artificiais também são canalizados - embora muitas vezes apenas em pequenas quantidades, se é que o são.

Uma abordagem evolutiva da ligação específica

Os bioquímicos do ETH utilizaram dois truques para permitir que o sistema de transporte importasse também aminoácidos não naturais em grandes quantidades. Em primeiro lugar, embalaram estes aminoácidos em péptidos curtos e sintéticos, nos quais estavam rodeados por blocos de construção naturais. O transportador deixa passar prontamente esta "carga" - como um cavalo de Troia molecular.

Em segundo lugar, os investigadores fizeram modificações específicas no componente do transportador. Para o efeito, determinaram a estrutura molecular do local de ligação dos péptidos do transportador. Em seguida, modificaram progressiva e sistematicamente esta área em experiências até que o local de ligação fosse adaptado a um péptido específico com aminoácidos artificiais.

Para adaptar o sítio desta forma, os investigadores utilizaram métodos que emulam a evolução biológica a alta velocidade. Esta abordagem pode agora ser utilizada para adaptar o sistema de transporte a uma vasta gama de péptidos com aminoácidos não naturais. Por exemplo, a equipa foi capaz de introduzir aminoácidos volumosos ou com carga negativa que anteriormente não podiam ser importados para as células.

"Os aminoácidos não naturais estão agora disponíveis em grandes quantidades nas células E. coli, a bactéria mais comum utilizada em biotecnologia. Isto permite incorporar eficazmente vários blocos de construção artificiais nas proteínas, utilizando métodos de expansão do código genético", diz Tarun Iype, um estudante de doutoramento do grupo de Lang e um dos principais autores do estudo.

"Em muitos casos, é possível produzir proteínas artificiais contendo aminoácidos não naturais de forma tão eficiente como as suas contrapartes naturais", acrescenta Maximilian Fottner, cientista sénior do grupo de Lang, que foi também um dos principais autores do estudo. O ETH Zurich solicitou uma patente para o novo método.

Expandir o sistema a outras moléculas sintéticas

Este método funciona atualmente na bactéria E. coli. "Estamos também a trabalhar para conceber um sistema comparável em células humanas", diz Lang. "Isto poderia ser usado para produzir proteínas semelhantes às humanas com propriedades que as tornam mais adequadas a uma vasta gama de aplicações terapêuticas".

No entanto, os planos dos bioquímicos do ETH também vão para além dos aminoácidos, como explica Lang: "Queremos desenvolver ainda mais o sistema para que também possa importar outras moléculas que anteriormente não podiam entrar nas células". Estas moléculas importadas poderiam então servir como fonte de materiais para a produção biotecnológica eficiente de compostos químicos complexos cuja síntese é atualmente ineficiente ou impossível.