Tecnologia Científica

Uma abordagem elétrica de molécula única para detecção de aminoácidos e reconhecimento de quiralidade
Os dados de condutância produziram tempos de nivelamento característicos e taxas de deslocamento para cada aminoácido para permitir medições in situ precisas e em tempo real.
Por Thamarasee Jeewandara - 19/03/2021


Estrutura do dispositivo e caracterização elétrica. (A) Representação esquemática de um GMG-SMJ baseado em PM-β-CD. A máquina molecular com um PM-β-CD foi covalentemente conectada com pontos de contato de grafeno através de ligações amida. (B) curvas IV de GMG-SMJs após o corte por plasma de oxigênio e após a conexão molecular adicional. Crédito: Science Advances , doi: 10.1126 / sciadv.abe4365
A química analítica visa discriminar de forma eficiente entre dois aminoácidos. Em um novo relatório na Science Advances, Zihao Liu e uma equipe de pesquisa em Química, Física e Ciência de Materiais na China e no Japão, usaram um método elétrico de uma única molécula baseado em nanocircuitos moleculares para formar junções de grafeno-molécula-grafeno de uma única molécula estáveis. A equipe desenvolveu essas junções moleculares através da ligação covalente de uma máquina molecular. Em seguida, eles usaram o pH para variar o tipo e a carga dos aminoácidos para encontrar flutuações de corrente multimodal distintas originadas de diversas interações hospedeiro-hóspede em relação aos cálculos teóricos. Os dados de condutância produziram tempos de nivelamento característicos e taxas de deslocamento para cada aminoácido para permitir medições in situ precisas e em tempo real.

Blocos de construção de proteínas

Os aminoácidos formam blocos de construção de proteínas , moléculas com funções fisiológicas especiais e elementos estruturais importantes em produtos farmacêuticos com aplicações em ciências biológicas. Os pesquisadores podem reconhecer enantiômeros de aminoácidos para fornecer informações importantes relativas ao reconhecimento quiral e funções fisiológicas em sistemas biológicos . A detecção da estrutura, da pureza enantiomérica e do comportamento dinâmico dos aminoácidos pode promover a produção de novas técnicas de sequenciamento de proteínas e investigações farmacêuticas . A detecção e identificação de aminoácidos com diferentes estruturas e quiralidade são extremamente importantes em proteômica, produtos farmacêuticos e nanobiotecnologia. Contudo,as máquinas moleculares existentes só funcionam comparando os parâmetros termodinâmicos do conjunto, o que é insuficiente. Portanto, é importante desenvolver uma técnica molecular geral para revolucionar os métodos existentes e reconhecer as moléculas alvo com alta precisão . Neste trabalho, Liu et al. demonstraram uma técnica de molécula única para identificar diretamente diferentes aminoácidos proteinogênicos e seus enantiômeros por meio de medições dinâmicas precisas de interações hospedeiro-hóspede com base em uma técnica de molécula única conhecida como junções de molécula de grafeno-grafeno, abreviado como GMG-SMJs para covalentemente incorporar sistemas moleculares individuais que se comportam como o canal condutor em um nanocircuito elétrico.

A nova abordagem forneceu uma plataforma robusta para formar componentes eletrônicos de uma única molécula para criar dispositivos optoeletrônicos moleculares . Para desenvolver os construtos, Liu et al. covalentemente ensanduichada uma máquina molecular entre um par de contactos pontuais grafeno gapped-nano para amino ácido de detecção e de reconhecimento de quiralidade. Os resultados abrirão novas rotas para desenvolver a nanotecnologia do sequenciamento preciso de proteínas de uma única molécula para aplicações práticas.
 
Desenvolvimento de dispositivos, caracterização elétrica e medições em tempo real

A equipe de pesquisa sintetizou grafeno de camada única usando deposição química de vapor em folhas de cobre e o transferiu para dióxido de silício / pastilhas de silício e padronizou os eletrodos de metal usando fotolitografia . Para desenvolver os eletrodos de contato pontuais de grafeno com nano lacunas, eles usaram um método litográfico de linha tracejada. Eles então construíram GMG-SMJs (junções de molécula de grafeno-molécula de grafeno) conectando covalentemente uma única máquina molecular com eletrodos de grafeno por meio de ligações amida. A equipe mediu as curvas de corrente-tensão dos dispositivos em vários estágios para identificar a formação de GMG-SMJs. O transporte de carga através da junção resultou de conexões de uma única molécula. Eles então conduziram caracterizações elétricas dependentes do tempo para monitorar a condutância das junções moleculares únicas (SMJs) permetilada-β-ciclodextrina (PM-β-CD) em tempo real. Eles primeiro mediram as construções em água e depois em diversas soluções de diferentes aminoácidos. As trajetórias representativas do tempo atual revelaram distribuições de múltiplos picos para diferentes aminoácidos em solução, comoL-serina e L-alanina . Os múltiplos estados distintos de cada aminoácido originaram-se apenas do processo de associação / dissociação entre o centro funcional PM-β-CD e os aminoácidos circundantes.

Análises computacionais de L-Ala @ PM-β-CD SMJs. (A) Diagrama esquemático dos orbitais moleculares de fronteira calculados da máquina molecular. (B a D) Configurações moleculares típicas durante a associação com aminoácidos carregados de forma diferente: (B) cátion, (C) zwitterion e (D) ânion. (E) Espectros de transmissão correspondentes em uma tensão de polarização zero. As curvas vermelha, amarela e verde mostram a transmissão quando as formas ânion, zwitterion e catiônica estavam na cavidade, respectivamente. A curva azul mostra a cavidade vazia. Os espectros completos são fornecidos na fig. S4. (F a H) Representação esquemática de aminoácidos nas formas de cátion, zwitterion e ânion. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abe4365

Análise teórica e estatística

Para entender melhor a correlação entre as interações hospedeiro-hóspede nas junções de molécula 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 equilíbrio com base na teoria do funcional de densidade, conforme implícito no pacote Atomistix Toolkit . Eles observaram a contribuição da condutância do orbital molecular ocupado mais alto perturbado (p-HOMO)ser dominante em baixas tensões de polarização, conforme refletido nos espectros de transmissão. Os espectros de transmissão das configurações foram significativamente diferentes perto do nível de Fermi dos eletrodos para permitir diferentes estágios de condutância. Os pesquisadores então analisaram as transições entre cada nível durante o reconhecimento de aminoácidos. Eles usaram a L-alanina como um exemplo para observar as transições reversíveis da dissociação para formar cátions, zwitterionse formas de ânions. O nível de dissociação dominou a condutância 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 aminoácidos ao interagir com PM-β-CD. Os aminoácidos tiveram pelo menos dois processos de associação para o grupo carboxílico e o outro grupo amino. Quanto maior o número de estados registrados, mais preciso será o reconhecimento dos resultados.

Análise dinâmica para detecção de L-Alanina. (A) Gráfico de ΔI / I0 em função do tempo
durante a interação hospedeiro-convidado. A curva vermelha é o ajuste idealizado usando
um software QuB. pH = 7, T = 298 K e a tensão de polarização = 0,1 V. (B) Estatísticas de
transição entre cada estado. As colunas horizontais significam o estado inicial. (C) Modelo
cinético para o processo de reconhecimento de L-Ala. (D a I), gráficos de intervalos de tempo
de (D) nível 1 a nível 2, (E) nível 2 a nível 1, (F) nível 2 a nível 3, (G) nível 3 a nível 2, (H)
nível 2 ao nível 4, e (I) nível 4 ao nível 2 em 298 K. Crédito: Science
Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abe4365

Reconhecimento e perspectiva de enantiômero

Devido à semelhança entre os enantiômeros, foi mais desafiador diferenciar as estruturas em comparação com a identificação das espécies. 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 aminoácido para comparar a condutância e os dados cinéticos de diferentes enantiômeros. 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 método também pode reconhecer moléculas de drogas funcionais quirais para estabelecer uma ampla abordagem para a detecção biomolecular no nível de uma única molécula.

Análises estatísticas dos eventos de translocação para diferentes aminoácidos. Os eventos
de translocação (atuais em função do tempo de permanência) foram analisados ​​para (A)
L-Ala, (B) L-Ser, (C) L-Trp e (D) L-Tyr, respectivamente. Os gráficos de contorno
bidimensionais (2D) são compostos por todos os eventos em 10-s de registro em pH = 7,
mostrando a capacidade de detectar as diferentes estruturas de aminoácidos ao i
nteragir com PM-β-CD. Crédito: Science Advances,
doi: 10.1126 / sciadv.abe4365

Desta forma, Zihao Liu e colegas apresentaram uma abordagem prática de molécula única para tempo realreconhecimento elétrico de aminoácidos com diferentes estruturas e quiralidade em microssegundos. Os processos dinâmicos hospedeiro-hóspede podem ser observados para diversos aminoácidos no nível do transporte de ânions, zwitterions e cátions. Usando o complexo permetilado-β-ciclodextrina (PM-β-CD), a equipe reconheceu diferentes estados carregados de aminoácidos com base na faixa de flutuação da corrente e parâmetros termodinâmicos / cinéticos. A técnica pode revolucionar os métodos existentes para sequenciar com precisão o sequenciamento de genes / proteínas de uma única molécula para aplicações universais. O método também pode oferecer uma ferramenta universal para reconhecer muitas moléculas importantes em sistemas ambientais ou biológicos para entender a base da vida no nível molecular.

 

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