Engenharia de Ferredoxinas para Melhor Transferência de Elétrons

Os clusters de ferro-enxofre podem ser encontrados em várias proteínas de diferentes formas de vida. Um tipo de proteína que contém esses clusters se chama ferredoxina (Fd). Muitos organismos têm várias versões dessa proteína, que desempenham um papel importante na Transferência de Elétrons para vários processos que fornecem energia. Esses processos incluem a produção de hidrogênio e álcool, a fixação de carbono e nitrogênio, e o uso de enxofre.

Acredita-se que as Ferredoxinas atuem como peças chave na transferência de energia dentro das células. Elas ajudam a mover elétrons para diferentes partes das vias químicas interagindo com várias outras proteínas. Pesquisas mostraram que essas proteínas podem ter formas diferentes e podem conter vários tipos de clusters de ferro-enxofre. Elas também podem ter diferentes níveis de eficácia ao trabalhar com outras proteínas.

Embora saibamos que as ferredoxinas são cruciais para gerenciar o fluxo de energia nas células, controlar como os elétrons se movem por diferentes vias usando ferredoxinas ainda é um desafio.

#Aplicações em Biologia Sintética

As ferredoxinas podem transferir elétrons de baixa energia, o que levou ao seu uso em várias áreas da biologia sintética. Isso inclui coisas como engenharia metabólica, criação de produtos usando luz, controle de processos biológicos com luz, fabricação de marcadores fluorescentes e desenvolvimento de bioeletrônicos. Cientistas também estudam ferredoxinas para entender como elas mudaram ao longo do tempo.

Em estudos laboratoriais, os pesquisadores criaram pequenos peptídeos contendo clusters de ferro-enxofre. Esses peptídeos podem participar de várias reações químicas. Além disso, os cientistas conseguiram inserir locais de ligação de ferro-enxofre em outras estruturas de proteínas, permitindo que elas adquirissem clusters de ferro-enxofre nas células. Algumas versões das ferredoxinas foram projetadas para se parecer com formas antigas da proteína.

Quando essas ferredoxinas engenheiradas são usadas em Bactérias, elas podem fornecer a energia necessária para a absorção de nutrientes. Novos designs de ferredoxinas estão sendo criados para aprender como sua estrutura afeta a capacidade de conduzir eletricidade e sua estabilidade em altas temperaturas. Além disso, os cientistas modificaram ferredoxinas para criar interruptores de proteínas que podem controlar a transferência de elétrons nas células para aplicações de detecção rápida.

#Engenharia de Atividades de Proteínas

Uma forma de controlar a atividade das proteínas é usando pequenos anticorpos, conhecidos como nanocorpos (Nbs), que podem ser ligados a outras proteínas. Essa técnica permite que os pesquisadores regulem várias atividades, como produção de luz ou expressão gênica, dependendo se o nanocorpo se liga ao seu alvo.

Para testar como regular as atividades de ferredoxina usando nanocorpos, os pesquisadores examinaram três nanocorpos diferentes que se ligam especificamente a uma proteína chamada GFP. Eles criaram construções onde esses nanocorpos foram fundidos a pedaços de ferredoxina, visando controlar como a ferredoxina transfere elétrons nas células.

#Detalhes Experimentais

Os pesquisadores utilizaram químicas específicas de vários fornecedores para cultivar e gerenciar seus experimentos com bactérias. Eles construíram vários Plasmídeos, que são moléculas de DNA circulares que podem carregar genes para a produção de proteínas. Esses plasmídeos incluíam versões de ferredoxinas de diferentes organismos, o que permitiu estudar como essas proteínas funcionam em diferentes contextos.

Em seus experimentos, os pesquisadores usaram diferentes cepas de bactérias para clonagem e para testar como essas proteínas engenheiradas funcionavam. Eles monitoraram o crescimento das bactérias para determinar se as proteínas engenheiradas ajudavam em sua sobrevivência.

#Estudos de Crescimento

Para avaliar quão bem as ferredoxinas engenheiradas funcionavam, as bactérias foram transformadas com diferentes plasmídeos que expressavam essas proteínas. Os pesquisadores mediram como as bactérias cresciam sob condições seletivas, indicando se as proteínas engenheiradas apoiavam processos necessários para a sobrevivência.

Quando introduziram indutores específicos para ativar as proteínas engenheiradas, observaram diferenças nas taxas de crescimento. As combinações de ferredoxinas com nanocorpos ou GFP foram testadas para ver como afetavam a capacidade das bactérias de produzir energia.

#Resultados de Complementação

Em estudos anteriores, certas divisões de ferredoxina não eram eficazes em ajudar a transferência de elétrons, a menos que combinadas com proteínas que ajudassem a conectar seus fragmentos. Isso levou à ideia de testar se as interações de nanocorpos poderiam ajudar da mesma forma.

Eles criaram construções com diferentes orientações de fragmentos de ferredoxina e nanocorpos. Os resultados mostraram que algumas combinações de nanocorpos e fragmentos de ferredoxina funcionavam melhor do que outras, aumentando significativamente o crescimento das bactérias.

Além disso, a orientação das fusões de proteínas afetava como elas se complementavam. Certos nanocorpos ajudaram a melhorar a transferência de elétrons mais do que outros, destacando a importância tanto do nanocorpo específico quanto de como as proteínas estavam ligadas.

#Estudos de Comprimento de Ligador

Os pesquisadores também investigaram como o comprimento dos ligadores entre as diferentes partes das proteínas afetava sua função. Ligadores são sequências de aminoácidos que conectam diferentes domínios de proteínas. Eles testaram ligadores mais curtos e mais longos. Os achados indicaram que o comprimento do ligador não impactava significativamente o sucesso dos designs de fusão, apontando para uma interação robusta entre os componentes de tamanhos variados.

#Inserções de Nanocorpos

Em outra série de experimentos, pesquisadores inseriram nanocorpos diretamente na estrutura da ferredoxina para ver se isso permitiria um melhor controle sobre a transferência de elétrons. Diferentes nanocorpos foram testados para ver se poderiam regular quão bem a ferredoxina ajudava a transferir elétrons na presença de outra proteína, a GFP.

Os resultados demonstraram que a inserção de certos nanocorpos na ferredoxina afetava quão bem ela realizava sua função. Para algumas combinações, a expressão de GFP melhorou significativamente o crescimento das bactérias, enquanto outras não se beneficiaram da presença de GFP.

#Conclusão

Essa pesquisa indica que as ferredoxinas podem ser engenheiradas para transferir elétrons com base na presença de outra proteína. Com os diversos tipos de nanocorpos que podem ser criados, essa abordagem poderia permitir uma ampla gama de mecanismos regulatórios, oferecendo múltiplos caminhos para controlar processos biológicos.

Estudos futuros podem investigar como a estabilidade das ferredoxinas e dos nanocorpos afeta suas interações. Compreender essas propriedades poderia levar a melhores designs para construir eletrônicos vivos ou outras aplicações que requerem respostas rápidas em sistemas biológicos.

No geral, as estratégias usadas nesse trabalho poderiam aprimorar nossa capacidade de manipular funções de proteínas e desenvolver novas tecnologias baseadas em sistemas vivos.