Novo estudo revela o mistério elétrico dos peptídeos

Os pesquisadores validaram suas descobertas, que foram publicadas em PNASusando uma combinação de experimentos de moléculas únicas, simulações de dinâmica molecular e mecânica quântica.

Um novo estudo revela que peptídeos com uma estrutura dobrada conduzem eletricidade melhor do que suas contrapartes desdobradas. Pesquisadores do Instituto Beckman usaram experimentos e simulações para demonstrar como essas estruturas influenciam o transporte de elétrons, crucial para processos como fotossíntese e respiração. Essa descoberta não apenas aprofunda nossa compreensão do fluxo de elétrons em estruturas moleculares complexas, mas também abre novas possibilidades para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos moleculares avançados.

O que coloca a energia eletrônica nos peptídeos? Uma estrutura dobrada, de acordo com um novo estudo no Anais da Academia Nacional de Ciências.

O transporte de elétrons, o processo de geração de energia dentro de células vivas que permite a fotossíntese e a respiração, é aprimorado em peptídeos com uma estrutura colapsada e dobrada. Pesquisadores interdisciplinares do Beckman Institute for Advanced Science and Technology combinaram experimentos de molécula única, simulações de dinâmica molecular e mecânica quântica para validar suas descobertas.

“Esta descoberta fornece uma nova compreensão de como os elétrons fluem através de peptídeos com estruturas mais complexas, ao mesmo tempo em que oferece novos caminhos para projetar e desenvolver dispositivos eletrônicos moleculares mais eficientes”, disse o pesquisador principal Charles Schroeder, professor James Economy em Ciência e Engenharia de Materiais na Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

As proteínas estão presentes em todas as células vivas e são essenciais para atividades celulares como fotossíntese, respiração (absorção de oxigênio e expulsão de dióxido de carbono) e contração muscular.

Quimicamente, as proteínas são longas sequências de aminoácidos dispostas como luzes de Natal, com as diferentes cores representando diferentes aminoácidos, como triptofano e glutamina.

Na forma mais simples de uma proteína (sua estrutura primária), o amino ácido a corda fica plana. Mas os aminoácidos são propensos a se misturar; quando eles interagem uns com os outros, a corda se embaraça, causando o colapso estrutural conhecido como dobramento de proteína (ou estrutura secundária).

Os pesquisadores perguntaram se e como a estrutura de uma proteína afeta sua capacidade de conduzir eletricidade — uma questão não respondida claramente pela literatura existente.

Foco da Pesquisa em Peptídeos

Rajarshi “Reeju” Samajdar, um estudante de pós-graduação no Schroeder Group, estava pacientemente sondando esse problema de proteína experimentando uma molécula de cada vez. Mas Samajdar não estava olhando para proteínas. Em vez disso, ele se concentrou em peptídeos, fragmentos de proteínas com uma fração dos aminoácidos. Para este estudo, Samajdar usou peptídeos com cerca de quatro ou cinco aminoácidos, o que permitiu uma observação mais granular, ele disse.

Samajdar viu algo surpreendente: peptídeos esticados com uma estrutura primária pareciam ser condutores de energia menos eficazes do que suas contrapartes dobradas com uma estrutura secundária. A diferença gritante entre o comportamento dos peptídeos em cada estado despertou sua curiosidade.

“Peptídeos são muito flexíveis. Estávamos interessados ​​em entender como as propriedades de condutância mudavam conforme você os esticava e os peptídeos transitavam de uma estrutura secundária dobrada para uma conformação estendida. Curiosamente, vi um salto distinto entre essas duas estruturas, com diferentes propriedades eletrônicas em cada uma”, disse Samajdar.

Para verificar suas observações, Samajdar chamou Moeen Meigooni, um assistente de pesquisa de pós-graduação que trabalhava com Emad Tajkhorshid, um pesquisador da Beckman, professor e titular da Cátedra J. Woodland Hastings em Bioquímica.

A equipe simulou o comportamento conformacional dos peptídeos com modelagem computacional, confirmando as mudanças estruturais bruscas que Samajdar observou. Sem deixar pedra sobre pedra científica, os pesquisadores trabalharam com Martin Mosquera, professor assistente de química na Montana State University, e Nicholas Jackson, pesquisador de Beckman e professor assistente de química em Illinois, para usar cálculos mecânicos quânticos para confirmar que essas duas estruturas discretas estavam de fato ligadas às mudanças na condutividade.

“Acreditamos que nossa abordagem combinando experimentos de molécula única, modelagem estrutural com dinâmica molecular e mecânica quântica é uma abordagem muito poderosa para entender a eletrônica molecular”, disse Samajdar. “Poderíamos ter ido direto para a quântica, mas não o fizemos. A parte da simulação computacional nos permitiu estudar todo o espaço conformacional dos peptídeos.”

Os resultados verificados três vezes pelos pesquisadores indicam que peptídeos com uma estrutura secundária dobrada conduzem eletricidade melhor do que peptídeos com uma estrutura primária desdobrada. A estrutura secundária específica que eles observaram formou uma forma chamada 3₁₀ hélice.

Como este trabalho foi conduzido em peptídeos, os resultados permitem uma maior compreensão do transporte de elétrons em proteínas maiores e mais complexas e outras biomoléculas, apontando para aplicações em dispositivos eletrônicos moleculares como semicondutores que funcionam alternando entre duas estruturas distintas.

Referência: “A estrutura secundária determina o transporte de elétrons em peptídeos” por Rajarshi Samajdar, Moeen Meigooni, Hao Yang, Jialing Li, Xiaolin Liu, Nicholas E. Jackson, Martín A. Mosquera, Emad Tajkhorshid e Charles M. Schroeder, 25 de julho de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2403324121