Mapa das Américas, criado pela formação de padrão de
pixel com DNA, em uma nanoestrutura retangular de DNA. Escala do mapa: 1:2 x
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Crédito: Paul Rothemund.
Na postagem do dia
24/11/2011 está escrito: “A auto-organização molecular do universo após o big
bang originou toda a natureza que nos cerca, mas como podemos intuir isto na
atualidade qual indício leva-nos a essa conclusão? Imagine que tudo que nos é
apresentado na atualidade surgiu de um conjunto de leis simples ou comandos a
serem cumpridos. Então seriamos resultado da interação destas leis primordiais
que cunharam toda a matéria do universo em um determinado momento?”.
Uma
questão de auto-organização
Os seres vivos aqui da
Terra são constituídos, principalmente, por átomos de carbono (C), hidrogênio (H),
oxigênio (O) e nitrogênio (N). Estes átomos, combinados entre si, formam a base
das moléculas biológicas. A água é a substância mais abundante na composição
química de um ser vivo. No ser vivo as moléculas desempenham função estrutural
e ou funcional. Os açúcares, proteínas, lipídeos, enzimas, hormônios. São fonte
de energia, codificam, lêem, interpretam e executam mensagens. Todas as formas
de vida atuais, com exceção dos vírus, são baseadas em células contendo pequenos
pacotes de compostos químicos envoltos por membranas. Sendo a célula a unidade
morfológica e fisiológica dos seres vivos, são constituídas por um sistema de
membranas de natureza lipoproteica cuja função é: manter a individualidade
celular, compartimentar, manter o equilíbrio eletrolítico, controlar a entrada
e saída de substâncias e, portanto, suas interações com meio ambiente. Tem o citoplasma,
constituído principalmente por água e proteína, preenchendo a célula, onde se encontram
as organelas, responsáveis pelas principais atividades metabólicas das células.
Mas existem evidências de que toda esta complexidade teria se originado por
simples comandos?
A automontagem
molecular é onipresente na natureza, e recentemente surgiu como uma nova
abordagem na síntese química, nanotecnologia, engenharia e ciência de polímeros
e materiais. Os sistemas de automontagem molecular estão na interface entre a
biologia molecular, a química, a ciência de polímeros, a ciência de materiais e
a engenharia. Supondo que as formas primitivas de vida tenham surgido em um
processo de automontagem, ou seja, um sistema com uma aparente desordem nos
componentes pré-existentes resulta em uma estrutura organizada, ou padrões de
organização, como conseqüência de uma interação específica entre os próprios
componentes, sem influência externa. Mas a questão é, existe algum experimento
que possa nos levar a esta conclusão? Sim! Em uma experiência baseada na
observação do comportamento de uma complexa mistura de materiais inorgânicos no
interior de um plasma. O plasma é essencialmente o quarto estado da matéria,
além do sólido, líquido e gasoso no qual os elétrons são arrancados dos átomos
deixando para trás uma nuvem de partículas carregadas. Até agora os cientistas
acreditavam não haver praticamente nenhuma organização nessa nuvem de
partículas. Mas a equipe do Dr. V.N. Tsytovich, da Academia de Ciências de
Moscou, na Rússia, descobriu que essas partículas podem passar por um processo
de auto-organização à medida que as cargas eletrônicas se separam e o plasma se
torna polarizado. O fenômeno resulta em fitas microscópicas de partículas
sólidas que se torcem, assumindo o formato de um parafuso, formando uma
estrutura helicoidal. Essas fitas helicoidais são elas próprias eletronicamente
carregadas, o que faz com que se atraiam mutuamente. Mais do que
simplesmente se grudarem, essa espécie de DNA inorgânico pode se dividir, ou
bifurcar, para formar duas cópias da estrutura original. Até hoje, esse
comportamento só era associado a moléculas biológicas, como o DNA e as
proteínas. Essas estruturas de plasma complexas e auto-organizáveis apresentam
todas as propriedades necessárias para se qualificarem como candidatas para uma
matéria viva inorgânica, diz Tsytovich. "Elas são autônomas, elas se
reproduzem." O plasma não se forma apenas em condições especiais de
laboratório. Ele está presente em inúmeras estruturas no espaço exterior. E
está particularmente presente aqui mesmo na Terra, no ponto em que os
relâmpagos atingem o solo. A descoberta aponta para a possibilidade da vida fora
da Terra não necessariamente precisar de moléculas à base de carbono agora se
pode cogitar a possibilidade de explicar como a vida surgiu aqui mesmo na Terra
com a participação desses compostos que até agora não se imaginava poder
desempenhar um papel importante no padrão vida.
Na natureza os princípios de automontagem
levam a crescimento de cristais inorgânico e estruturas funcionais orgânicas. Como
visto na Teoria da Vida no nosso universo ocorrem os seguintes padrões: Padrão
não vida e o padrão vida, o primeiro rege a matéria inanimada e o segundo a
vida. No nosso planeta os sistemas biológicos têm uma organização que
leva à compartimentalização e à concatenação dos processos, permitindo que as
transformações ocorram de forma seqüencial, sem interferências e com alta
eficiência. Como exemplo tem a fotossíntese, esse processo, que sustenta a vida
em nosso planeta, tem lugar nos cloroplastos, nano máquina responsável pela
produção do ATP (adenosina-trifosfato), o principal combustível dos organismos
vivos. Esse processo
biológico realizado pelas plantas e outros organismos, em que ocorre a transformação da energia luminosa em energia
química, com o objetivo de suprir as necessidades metabólicas
necessárias para o crescimento e reprodução destes seres vivos. Os organismos
fotossintetizantes, ou seja, que realizam a fotossíntese captura a energia
solar e a transformam-na em energia química na forma de ATP, molécula
responsável pelo armazenamento de energia em suas ligações químicas, e de
NADPH, uma importante coenzima presente nas células que participa de reações de
oxi-redução, que são produtos originados da reação da energia solar com a
clorofila presente nas folhas. Essas moléculas são usadas como fonte de energia
para originar carboidratos (glicose) e outros componentes orgânicos a partir do
CO2 atmosférico e H2O, que simultaneamente liberam O2 na atmosfera. Estes
organismos podem posteriormente utilizar a energia armazenada nos carboidratos
para produzir outras moléculas necessárias para a sua sobrevivência. Esses
seres vivos que sintetizam o seu próprio alimento são chamados de seres autótrofos e correspondem à base da cadeia alimentar. Sendo
assim o Sol e a fotossíntese é a fonte fundamental de quase toda a energia
biológica. Se não houvesse fotossíntese, não haveria alimento para a grande
maioria das formas de vida que não consegue sintetizar seu próprio alimento,
então os heterótrofos como o homem e a maioria dos animais dependem dos seres
autótrofos como fonte de alimento.
Origami de DNA
A Ciência
já utiliza a propriedade de auto-organização na montagem do origami de DNA, onde as
peças montam-se sozinhas, graças às propriedades complementares dos quatro
pares de base do DNA. Os nucleotídeos chamados: A, T, C e G, interagem e
conectam-se de acordo com uma fórmula simples seguindo as regras: A sempre se
liga a T; C sempre se liga a G. As quatro letras representam os nucleotídeos
Adenina, Citosina, Guanina e Timina. As moléculas orgânicas são facilmente manipuláveis
podendo se auto-estruturar em um processo conhecido como automontagem, tal
processo já é utilizado devido simplificar enormemente o processo de fabricação
dos dispositivos. Um pesquisador do Instituto de
Tecnologia da Califórnia (EUA) usou filamentos de DNA para criar complexas
nanoestruturas 2D. A técnica de armação de andaimes formando origamis de DNA
poderá ter aplicações no campo da biologia molecular para dispositivos
semicondutores. Paul WK Rothemund disse: “Fabricação de Bottom”, que explora as propriedades intrínsecas dos átomos
e moléculas para dirigir a sua auto-organização, é amplamente usada para fazer
nanoestruturas relativamente simples. Um objetivo chave para esta
abordagem é a criação de nanoestruturas de alta complexidade, combinando que
rotineiramente realizado pelo método “top-down”. A automontagem de
moléculas de DNA fornece uma rota atrativa para este objetivo.
"A construção de origamis de DNA sob encomenda é tão simples, que o
método poderia tornar muito mais fácil para cientistas de diferentes campos,
criar e estudar nanoestruturas complexas", disse Paul Rothemund, do
Caltech. "Um físico, por exemplo, pode associar um ponto quântico
(quantum-dot) semicondutor de tamanho nanométrico num padrão que pode
criar um computador quântico. Um biólogo pode usar origâmi de DNA para ligar
proteínas, as quais normalmente ocorrem separadas na natureza, e organizá-los
em uma fábrica multienzimas que permitiria a obtenção de produtos químicos de
uma "máquina enzimática" para a próxima, a exemplo de uma linha de
montagem. Rothemund transformou filamentos de DNA em estruturas quadradas,
faces sorridentes, estrelas, retângulos triângulos vazados, cada um com
aproximadamente 100 nm. Baseou cada forma em um filamento individual de DNA com
cerca de 7000 nucleotídeos (Um nucleotídeo é a unidade estrutural que aproxima
o DNA e algumas outras moléculas biológicas). O assim chamado "filamento
andaime" foi dobrado no formato desejado e mantido junto por um pequeno
"filamento grampo" de DNA. "Em meu trabalho, bilhões de
nanoestruturas de DNA foram produzidas em paralelo, rapidamente e sob condições
brandas", disse Rothemund. "Os filamentos de componentes de DNA são
misturados em uma pequena porção de água com sal, aquecida até próximo da
ebulição, que é deixada esfriar por cerca de uma hora e meia". A
incorporação de hélices de DNA permitiu a criação de padrões de pixel (ponto
luminoso que, em conjunto com outros, forma uma figura) no topo das
nanoestruturas, com um diâmetro de pixel de 6 nm. Assim, Rothemund criou um
mapa do hemisfério ocidental e escreveu DNA com letras de 30 nanômetros de
altura. Ele também uniu as nanoestruturas do origâmi, fazendo hexágonos, por
exemplo, pela junção de triângulos de origâmi. "Outra virtude de meus
experimentos é que uso o mesmo filamento individual longo repetidas vezes (a
seqüência natural do vírus) e mudo exatamente os cerca de 200 "filamentos
grampo" curtos, disse Rothemund. "Isto significa que não tenho que fazer
como é costume, uma longa síntese toda vez que preciso fazer uma nova
estrutura". As estruturas são atualmente limitadas em cerca de 100 nm pelo
tamanho do filamento original individual de DNA disponível. "Sintetizar e
purificar os filamentos individuais é certamente possível: agora mesmo, as
pessoas manipulam costumeiramente filamentos duplos de DNA", afirmou
Rothemund. "Se pudéssemos usar filamentos individuais com milhões de bases
de comprimento, então poderíamos criar um origâmi DNA (estrutura) com um mícron
de lado, com cerca de 20.000 pixels. Isso parece viável e poderá ser feito nos
próximos anos". Além do mais, o método do origami poderá ser estendido
continuamente para criar estruturas tridimensionais (3D).
Por que a Auto Organização?
Então porque muitos sistemas biológicos utilizam a auto-organização em
detrimento de outros mecanismos. Quais suas vantagens? O motivo é que as regras
que regulam sistemas auto-organizados são bastante econômicas, e por isso
facilmente efetuada no comportamento e na fisiologia dos organismos que as
usam. Assim sendo, é de esperar que a natureza tenha favorecido sistemas
auto-organizados, nos quais cada indivíduo segue um conjunto de regras simples,
mas que a interação com outros indivíduos possibilita a criação de padrões
complexos. Concluindo, a Ciência descobriu que a natureza utilizou a “criatividade”
talvez tenha construído “origamis” orgânicos atingindo a complexidade observada
na atualidade.
Fontes:
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