As estruturas nanomoleculares - os elementos arquitetônicos básicos da nanotecnologia - foram reproduzidas em células bacterianas. A pesquisa demonstra que é possível tomar o controle da maquinaria celular da natureza para produzir em massa estruturas complexas e dispositivos para obras de engenharia em escala molecular.

» Exposição ajuda a entender a nanotecnologia
» Congresso mostra avanço da nanotecnologia no Brasil
» Nanotecnologia poderá reparar células danificadas
» Teoria de Darwin completa 150 anos

A equipe liderada por Nadrian Seeman, da Universidade de Nova York, e por Hao Yan, da Universidade Estadual do Arizona em Tempe, especula que seu método poderia levar a uma fusão entre a nanotecnologia e a seleção natural de Darwin, nos termos da qual dispositivos moleculares poderiam ser criados e melhorados por meio de uma alguma pressão evolutiva artificial. A técnica, reportada em artigo para a Proceedings of the National Academy of Sciences, depende do fato de que as nano-estruturas em questão são feitas de ADN, o material genético das células vivas.

"Isso é muito interessante", diz Chengde Mao, nanotecnologista especialista em ADN na Universidade Purdue, em West Lafayette, Indiana. "Estamos sempre preocupados com o custo de produção dessas estruturas. Mas, com um método como esse, deveria ser possível ampliar a escala a fim de produzi-las em larga quantidade".

Acoplamento previsível
Nos últimos anos, o ADN tem emergido como material de construção ideal para a nanotecnologia porque ele pode ser projetado e "programado" para se montar em forma de estruturas complicadas, tais como jaulas geométricas e redes ordenadas. O ADN também foi usado para produzir máquinas com partes que se movem sob controle externo. Esses dispositivos e estruturas dependem da capacidade do ADN para se dobrar e conectar em formas precisas, seguindo as regras do acoplamento de pares, que controlam a maneira pela qual o ADN forma os feixes na hélice dupla do material genético.

O princípio do acoplamento significa que a arquitetura de uma nano-estrutura em ADN pode ser predefinida pela seqüência de seus quatro tijolos moleculares, conhecidos como nucleotídeos, em um único feixe. Esses componentes em seguida formam pares com feixes complementares, seguindo um modelo previsível.

A abordagem foi usada para criar "blocos" de ADN que se dispõem de uma maneira concebida como forma de controlar procedimentos computacionais -uma espécie de nanocomputador mecânico - e até mesmo para criar mapas do mundo com dimensões de apenas alguns poucos nanômetros.

Os blocos básicos da clonagem
Mas a produção dessas estruturas de ADN é em geral um processo lento e complicado. Os pesquisadores compreenderam que, porque todas as células contém a maquinaria molecular necessária a reproduzir o ADN do genoma com seqüências precisamente copiadas, elas podem ser persuadidas a, em lugar disso, produzir estruturas artificiais de ADN.

O procedimento seria, na prática, uma espécie de clonagem de material genético - técnica que já está bem estabelecida na biotecnologia. Mas fazê-la funcionar para seqüências artificiais e arbitrárias de ADN que nada tenham a ver com a genética comum é um processo mais complicado.

Gerald Joyce e seus colegas do Instituto Scripps de Pesquisa, em La Jolla, Califórnia, haviam conseguido anteriormente clonar um feixe de ADN que monta uma espécie de jaula em formato de octaedro, inserindo-se em bactérias. Mas essa nano-estrutura requeria cinco outros feixes curtos de ADN para tomar a forma requerida, e era impossível cloná-los ao mesmo tempo.

Replicação exponencial
Seeman, Yan e seus colegas de pesquisa também desenvolveram métodos de replicação de ADN que podem ser operados em um tubo de ensaio, usando a maquinaria natural das enzimas extraídas de células. Mas eles suspeitam que o processo funcionaria de maneira muito mais eficiente em células vivas, que podem se replicar de maneira exponencial.

Para atingir esse objetivo, eles construíram feixes de ADN que se dobraram em duas nano-estruturas complexas - uma em forma de crucifixo e a outra em uma complicada estrutura entrelaçada de duplo feixe conhecida como molécula PX -, e posteriormente se colariam a feixes circulares duplos de ADN conhecidos como fagemídeos. Depois, inseriram esse produto combinado nas células da bactéria intestinal Escherichia coli.

Na prática, os fagemídeos agem como um genoma viral que infecta a bactéria. Essa infecção pode ser propagada a outras células que cresçam em um caldo de cultura com a assistência do vírus bacteriano, ou fage, conhecido como M13KO7. Assim, à medida que crescem as bactérias, elas terminam repletas de cópias replicadas do fagemídeo, incluindo o segmento de ADN que produz as nano-estruturas. Os pesquisadores depois dividem as células e usam enzimas que "aparam" o ADN bruto e extraem o fagemídeo, o que permite que ele comece a se dobrar na forma da nano-estrutura designada.

Apenas uma pequena quantidade do ADN original é necessária para começar o processo, que pode ser "amplificado" quase que indefinidamente. E as células bacterianas podem ser armazenadas como fábricas miniaturizadas prontas a produzir o material quando requerido.

Ainda que possa ser possível utilizar seleção natural darwinista para modificar e alterar nano-estruturas de ADN, os pesquisadores teriam de encontrar maneira de oferecer uma vantagem reprodutiva a essas células de maneira que a levasse a produzir as nano-estruturas "melhores". Mao sugere que eles poderiam projetar nano-estruturas com propriedades catalíticas que promovam o crescimento ou replicação dessas células anfitriãs.

"Até agora, não discutimos muito as funções dessas estruturas de ADN", diz Mao. "Mas se é possível cloná-las, então se torna possível usar a evolução para tratar desse aspecto".

Tradução: Paulo Migliacci ME