Os aminoa¡cidos formam blocos de construção de protea­nas , moléculas com funções fisiola³gicas especiais e elementos estruturais importantes em produtos farmacaªuticos com aplicações em ciências biológicas. Os pesquisadores podem reconhecer enantia´meros de aminoa¡cidos para fornecer informações importantes relativas ao reconhecimento quiral e funções fisiola³gicas em sistemas biola³gicos . A detecção da estrutura, da pureza enantiomanãrica e do comportamento dina¢mico dos aminoa¡cidos pode promover a produção de novas técnicas de sequenciamento de protea­nas e investigações farmacaªuticas . A detecção e identificação de aminoa¡cidos com diferentes estruturas e quiralidade são extremamente importantes em protea´mica, produtos farmacaªuticos e nanobiotecnologia. Contudo,as ma¡quinas moleculares existentes são funcionam comparando os parametros termodina¢micos do conjunto, o que éinsuficiente. Portanto, éimportante desenvolver uma técnica molecular geral para revolucionar os manãtodos existentes e reconhecer as moléculas alvo com alta precisão . Neste trabalho, Liu et al. demonstraram uma técnica de molanãcula única para identificar diretamente diferentes aminoa¡cidos proteinogaªnicos e seus enantia´meros por meio de medições dina¢micas precisas de interações hospedeiro-ha³spede com base em uma técnica de molanãcula única conhecida como junções de molanãcula de grafeno-grafeno, abreviado como GMG-SMJs para covalentemente incorporar sistemas moleculares individuais que se comportam como o canal condutor em um nanocircuito elanãtrico.

A nova abordagem forneceu uma plataforma robusta para formar componentes eletra´nicos de uma única molanãcula para criar dispositivos optoeletra´nicos moleculares . Para desenvolver os construtos, Liu et al. covalentemente ensanduichada uma ma¡quina molecular entre um par de contactos pontuais grafeno gapped-nano para amino a¡cido de detecção e de reconhecimento de quiralidade. Os resultados abrira£o novas rotas para desenvolver a nanotecnologia do sequenciamento preciso de protea­nas de uma única molanãcula para aplicações prática s.

A equipe de pesquisa sintetizou grafeno de camada única usando deposição química de vapor em folhas de cobre e o transferiu para dia³xido de sila­cio / pastilhas de sila­cio e padronizou os eletrodos de metal usando fotolitografia . Para desenvolver os eletrodos de contato pontuais de grafeno com nano lacunas, eles usaram um manãtodo litogra¡fico de linha tracejada. Eles então construa­ram GMG-SMJs (junções de molanãcula de grafeno-molanãcula de grafeno) conectando covalentemente uma única ma¡quina molecular com eletrodos de grafeno por meio de ligações amida. A equipe mediu as curvas de corrente-tensão dos dispositivos em vários esta¡gios para identificar a formação de GMG-SMJs. O transporte de carga atravanãs da junção resultou de conexões de uma única molanãcula. Eles então conduziram caracterizações elanãtricas dependentes do tempo para monitorar a conduta¢ncia das junções moleculares únicas (SMJs) permetilada-β-ciclodextrina (PM-β-CD) em tempo real. Eles primeiro mediram as construções em águae depois em diversas soluções de diferentes aminoa¡cidos. As trajeta³rias representativas do tempo atual revelaram distribuições de maºltiplos picos para diferentes aminoa¡cidos em solução, comoL-serina e L-alanina . Os maºltiplos estados distintos de cada aminoa¡cido originaram-se apenas do processo de associação / dissociação entre o centro funcional PM-β-CD e os aminoa¡cidos circundantes.

Ana¡lises computacionais de L-Ala @ PM-β-CD SMJs. (A) Diagrama esquema¡tico dos orbitais moleculares de fronteira calculados da ma¡quina molecular. (B a D) Configurações moleculares tipicas durante a associação com aminoa¡cidos carregados de forma diferente: (B) ca¡tion, (C) zwitterion e (D) a¢nion. (E) Espectros de transmissão correspondentes em uma tensão de polarização zero. As curvas vermelha, amarela e verde mostram a transmissão quando as formas a¢nion, zwitterion e catia´nica estavam na cavidade, respectivamente. A curva azul mostra a cavidade vazia. Os espectros completos são fornecidos na fig. S4. (F a H) Representação esquema¡tica de aminoa¡cidos nas formas de ca¡tion, zwitterion e a¢nion. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abe4365

Para entender melhor a correlação entre as interações hospedeiro-ha³spede nas junções de molanãcula única PM-β-CD baseadas em L-alanina, Liu et al. calculou os espectros de transmissão do hospedeiro PM-β-CD com convidados L-Alanina com cargas diferentes. Para conseguir isso, eles usaram uma técnica de função de Green sem equila­brio com base na teoria do funcional de densidade, conforme impla­cito no pacote Atomistix Toolkit . Eles observaram a contribuição da conduta¢ncia do orbital molecular ocupado mais alto perturbado (p-HOMO)ser dominante em baixas tensaµes de polarização, conforme refletido nos espectros de transmissão. Os espectros de transmissão das configurações foram significativamente diferentes perto donívelde Fermi dos eletrodos para permitir diferentes esta¡gios de conduta¢ncia. Os pesquisadores então analisaram as transições entre cadaníveldurante o reconhecimento de aminoa¡cidos. Eles usaram a L-alanina como um exemplo para observar as transições reversa­veis da dissociação para formar ca¡tions, zwitterionse formas de a¢nions. Onívelde dissociação dominou a conduta¢ncia do dispositivo, e a equipe coletou as informações usando um modelo de quatro estados, que descreveu as transições para entender a capacidade de detectar diferentes estruturas de aminoa¡cidos ao interagir com PM-β-CD. Os aminoa¡cidos tiveram pelo menos dois processos de associação para o grupo carboxa­lico e o outro grupo amino. Quanto maior o número de estados registrados, mais preciso seráo reconhecimento dos resultados.

Devido a  semelhança entre os enantia´meros, foi mais desafiador diferenciar as estruturas em comparação com a identificação das espanãcies. As diferenças de energia associadas foram pequenas e próximas a erros computacionais. Para superar essas complexidades, a equipe estabeleceu um "banco de dados de impressão digital" distinto para cada aminoa¡cido para comparar a conduta¢ncia e os dados cinanãticos de diferentes enantia´meros. A equipe então obteve os dados atuais de mudança e tempo de relaxamento e os comparou com o banco de dados de impressão digital. Devido a essa universalidade, o manãtodo também pode reconhecer moléculas de drogas funcionais quirais para estabelecer uma ampla abordagem para a detecção biomolecular nonívelde uma única molanãcula.

Desta forma, Zihao Liu e colegas apresentaram uma abordagem prática de molanãcula única para tempo realreconhecimento elanãtrico de aminoa¡cidos com diferentes estruturas e quiralidade em microssegundos. Os processos dina¢micos hospedeiro-ha³spede podem ser observados para diversos aminoa¡cidos noníveldo transporte de a¢nions, zwitterions e ca¡tions. Usando o complexo permetilado-β-ciclodextrina (PM-β-CD), a equipe reconheceu diferentes estados carregados de aminoa¡cidos com base na faixa de flutuação da corrente e parametros termodina¢micos / cinanãticos. A técnica pode revolucionar os manãtodos existentes para sequenciar com precisão o sequenciamento de genes / protea­nas de uma única molanãcula para aplicações universais. O manãtodo também pode oferecer uma ferramenta universal para reconhecer muitas moléculas importantes em sistemas ambientais ou biola³gicos para entender a base da vida nonívelmolecular.