Tive várias reuniões com a bióloga Dra. Ruth Espuny e sua equipe de pesquisa nos últimos dias e ela me alertou sobre este artigo que explica muito bem as vesículas lipídicas que chamo de canteiros de obras. Aqui estou postando seções relevantes do artigo e compartilhando imagens confirmatórias de minha própria pesquisa e de outros.
Robôs moleculares baseados em vesículas lipídicas
Um robô molecular, que é um sistema composto por uma ou mais máquinas moleculares e computadores, pode executar tarefas sofisticadas em muitos campos que abrangem da nanomedicina à nanotecnologia verde. As partes centrais dos robôs moleculares são bastante consistentes de sistema para sistema e sempre incluem (i) um corpo para encapsular máquinas moleculares, (ii) sensores para capturar sinais, (iii) computadores para tomar decisões e (iv) atuadores para executar tarefas. Esta revisão visa fornecer uma visão geral das abordagens e considerações para desenvolver robôs moleculares. Primeiro, apresentamos as tecnologias básicas necessárias para construir as partes centrais dos robôs moleculares, descrevemos o progresso recente para atingir maior funcionalidade e, posteriormente, discutimos os desafios e perspectivas atuais. Também destacamos as aplicações de robôs moleculares na detecção de biomarcadores, comunicações de sinais com células vivas e conversão de energia. Embora os robôs moleculares ainda estejam em sua infância, eles, sem dúvida, iniciarão uma mudança massiva na tecnologia biomédica e ambiental em um futuro não muito distante.
Esta perspectiva histórica responde a uma pergunta que sempre me fazem sobre como essa nanotecnologia de automontagem pode estar tão avançada. Como você pode ler aqui, é porque os cientistas têm trabalhado nisso pelos últimos 40 anos.
Durante os últimos 40 anos, essa revolução levou a uma nova geração de máquinas com tamanhos menores, expandindo os limites das aplicações. No campo da química orgânica, um catenano molecular inovador com dois anéis interligados foi relatado por Jean-Pierre Sauvage no início dos anos 1980, inspirando posteriormente outros cientistas a desenvolver máquinas em escala molecular com funções complicadas, como rotaxanos, motores, e nanocarros. Em 2016, três pioneiros de máquinas moleculares receberam o Prêmio Nobel de Química, refletindo o reconhecimento do amplo impacto das máquinas moleculares.
Aqui eles explicam que esses robôs imitam os processos da natureza.
O conceito de máquinas moleculares motivou a atividade de pesquisa em um novo campo chamado “robôs moleculares”. De acordo com o dicionário Cambridge, um robô é “uma máquina controlada por um computador que é usada para executar tarefas automaticamente”. Por esta definição, um robô molecular é um sistema composto de máquinas e computadores em escala molecular que são usados para executar tarefas automaticamente. Uma célula viva pode ser considerada um desses robôs milagrosos produzidos pela natureza. Com o DNA servindo como computadores para fornecer soluções e proteínas trabalhando como máquinas para executar funções específicas, uma célula viva executa tarefas sofisticadas independentes do controle humano. Inspirando-se nas células vivas, o objetivo final do campo dos robôs moleculares é construir artificialmente um sistema automatizado capaz de resolver problemas no nível molecular usando máquinas e computadores moleculares
A membrana vesicular era inicialmente hidrogel, depois foram utilizados lipídios.
Imagem: Vesículas em sangue não vacinado com COVID19, canto superior esquerdo, ampliação de 200x, canto superior direito, 400x. Vesículas inferiores esquerdas na injeção de COVID19 da Pfizer BioNTech sem capa de lâmina, ampliação de 2000x. O canto inferior direito com trevo de lâmina mostra parede dupla e microrrobôs dentro. Ampliação de 2000x. AM Medical
Um robô molecular sempre inclui alguns ou todos os seguintes: um corpo, sensores, computadores e atuadores (Fig. 1). Pioneiros no campo aplicaram hidrogéis como o corpo de robôs moleculares, no entanto, a falta de uma barreira entre os embeddings e o ambiente pode levar a vazamentos indesejados. Vesículas lipídicas, que são compostas de membranas lipídicas que separam um lúmen interno da solução externa, fornecem uma alternativa que pode resolver totalmente esse problema. O tamanho das vesículas lipídicas pode ser adaptado de nano a micrômetro de diâmetro. Para robôs moleculares, as vesículas de tamanho micro, as chamadas vesículas unilamelares gigantes (GUVs), são mais desejáveis devido à demanda por volume interno suficiente para abrigar os sensores, computadores e atuadores. Robôs moleculares requerem sensores para detectar sinais no ambiente. Isso pode ser realizado por canais iônicos ou nanoporos, que perfuram furos em membranas lipídicas.
Imagem: Microscopia de campo claro da injeção Moderna COVID19. Tecnólogo médico, Lote 042H22A, Cortesia do Dr. Rusth Espuny
Você pode ver esses nanoporos nas imagens acima. Para aqueles que afirmam que não podemos ver na nanoescala, deixe-me lembrá-los de que essa tecnologia se automonta e que podemos ver a microescala muito bem. O grande vem do pequeno e eu mostrei como a autorreplicação desses robôs esféricos funciona no sangue emblamed, por favor, lembre-se desta microscopia: (Mostrei os vídeos nesta entrevista
Imagem: Sangue embalsamado recebido do Embalsamador Richard Hirschman de um indivíduo falecido mostra vesículas auto-replicantes contendo microrrobôs. Ampliação 400x AM Medical
Os nanoporos podem atuar como um filtro de sinal, transportando seletivamente sinais moleculares com base em seu tamanho ou carga. Uma vez que os sinais são transportados, eles podem ser processados e traduzidos por máquinas de computação molecular. A computação de DNA, pioneira de L. Adleman em 1994, evoluiu nas últimas décadas para computadores aplicáveis em robôs moleculares, com o benefício de sua capacidade de executar múltiplas computações paralelas. Uma escolha alternativa para a maquinaria de computação é a síntese de proteína livre de células (CFPS), permitindo a saída de proteínas in vitro em resposta à entrada de DNA. Atuadores para robôs moleculares, que incluem nanoestruturas de DNA, peptídeos e proteínas, convertem sinais para obter movimentos físicos como deformação ou propulsão.
O mecanismo de propulsão e os motores são explicados.
Embora tenha havido progresso constante na tecnologia subjacente, estudos sobre prototipagem de robôs moleculares não têm uma longa história. Em 2014, Nishimura et al. incorporaram CFPS em GUVs e, então, na presença de aminoácidos, a síntese de GFP foi realizada como uma saída. Em 2017, Sato et al. desenvolveram GUVs equipados com atuadores contendo embreagens de DNA e motores de microtúbulos. Uma vez que a irradiação de luz foi aplicada, a embreagem foi engatada e o formato dos GUVs passou por mudanças sequenciais. Esses estudos pioneiros fornecem um caminho claro para robôs moleculares com funções cada vez mais complexas.
Deve-se notar que robôs moleculares às vezes compartilham tecnologias relacionadas com o campo de células artificiais. O objetivo de construir células artificiais é imitar a função de células vivas, enquanto robôs moleculares dão grande valor ao desenvolvimento de aplicações de engenharia que podem ajudar humanos a executar tarefas em dimensões micro ou nano. Há, portanto, um impulso para projetar robôs moleculares com funções que excedam as de células vivas
Mais blocos de construção são explicados. Note que membranas lipídicas, polímeros, hidrogéis e material orgânico como DNA são usados. É por isso que o DNA foi encontrado nos frascos combinados com blocos de construção de nanotecnologia?
Robôs moleculares normalmente requerem encapsulamento dentro de um compartimento, que atua como um limite, separando o ambiente interno do externo. Vários tipos de compartimentos foram empregados até o momento, incluindo membranas lipídicas, hidrogéis, copolímeros de bloco, gotículas de DNA e coacervados, cada um oferecendo vantagens e limitações distintas. Alguns pesquisadores exploraram a formação de chassis híbridos combinando diferentes tipos de compartimentos, alavancando as vantagens associadas a cada parte constituinte. Por exemplo, sistemas de coacervado ou DNA/hidrogel interligados com membranas lipídicas podem ser combinados para melhorar a funcionalidade.
Entre esses tipos de compartimentos, as vesículas lipídicas são as mais comumente usadas por várias razões. Primeiro, elas são biomiméticas, assemelhando-se muito às membranas biológicas de uma perspectiva química e morfológica. Essa característica permite a incorporação fácil de maquinário molecular ligado à membrana, incluindo proteínas de membrana, nanoporos e receptores, conferindo, assim, funcionalidades específicas às membranas. Por exemplo, o fluxo controlado de moléculas de carga em resposta a estímulos, que podem ser usados para mediar respostas em células vivas.
Observe que essas vesículas podem se automontar ou desmontar em estruturas semelhantes a tecidos – dependendo de estímulos externos. Isso é consistente com o que observamos em frascos de COVID19 em relação à nanotecnologia de automontagem e no sangue. Lembre-se dos excelentes vídeos do Dr. David Nixon sobre montagem e desmontagem de microchips – você pode ver o processo discutido aqui pelo Dr. Nixon, Dr. Shimon Yanowitz, Engenheiro Matt Taylor e eu. Nanobots, Processo de construção de microchips em injetáveis C19, novos insights sobre derramamento
Além disso, as vesículas lipídicas são quimicamente inertes e altamente eficientes na compartimentação de grandes moléculas carregadas do ambiente circundante, criando um ambiente interno quimicamente distinto. Esse recurso permite que os pesquisadores explorem a diversidade de blocos de construção lipídicos, sintéticos e biológicos, para criar membranas funcionais com comportamentos diversos. Exemplos incluem membranas capazes de se automontar em estruturas semelhantes a tecidos, membranas que podem se desmontar e remontar em resposta a sinais físico-químicos para reorganizar o material entre elas e membranas que liberam carga desencadeada por luz, flutuações de temperatura, campos magnéticos ou biomarcadores.Essa versatilidade abre possibilidades interessantes para robótica molecular e sistemas de administração de medicamentos direcionados, entre outras aplicações.
Imagens: vesículas automontam filamentos 200x, vesículas cheias de microrrobôs 400x, vesícula construindo uma cauda de filamento 100x. AM Medical
As vesículas podem ser classificadas principalmente com base em seu tamanho e lamelaridade. As GUVs têm um diâmetro de aproximadamente 2 μm e acima (tornando-as vesículas do tamanho de uma célula), compreendendo uma única membrana lipídica (em oposição às estruturas multicamadas semelhantes a cebolas conhecidas como vesículas multilamelares). Outros tipos de vesículas incluem vesículas unilamelares pequenas e grandes, que se enquadram na faixa de tamanho submicrométrico, bem como vesículas multivesiculares (multissomos). Além disso, houve exemplos intrigantes de estruturas híbridas, onde vesículas de diferentes tipos são montadas em arranjos arquitetonicamente mais complexos, como geometrias aninhadas ou em camadas. Um esquema das diferentes arquiteturas agora é possível gerar técnicas e princípios microfluídicos na engenharia de biomembranas é mostrado na Fig. 2
Imagem: Sangue não vacinado de COVID19 de diferentes indivíduos expostos à eliminação. Tecido superior esquerdo como 200x, bicamada inferior esquerda COVID19 Pfizer BioNTech 2000x, inferior central aninhado 2000x, direito aninhado e multicompartimental 400x. Sangue não vacinado de COVID19. AM Medical
Sensores de robôs moleculares
Em células vivas, receptores de membrana, transportadores e canais iônicos funcionam como sensores para ajudar as células a responder a estímulos químicos e físicos. Essas funcionalidades também foram exploradas para implementar capacidades de detecção em robôs moleculares. Em particular, nanoporos formando aberturas estáveis em nanoescala através de membranas lipídicas demonstraram mediar o transporte de moléculas grandes, permitindo sua detecção pelos robôs moleculares. A abertura e o fechamento de nanoporos (gating) podem ser regulados por estímulos ambientais ( por exemplo , pH, luz, temperatura, pressão osmótica), aumentando ainda mais as capacidades de detecção dos robôs moleculares. Vários materiais foram utilizados para montar nanoporos, incluindo proteínas, peptídeos, DNA, e materiais sintéticos. Na seção atual, focaremos principalmente nas características, diferenças e progresso recente da montagem de nanoporos usando diferentes materiais de construção, e também descreveremos algumas abordagens exclusivas que introduzem receptores de membrana em GUVs.
Existem muitos canais de transporte diferentes que permitem a passagem de informações dentro dessas vesículas, e a luz é um dos gatilhos. Isso implica que o computador robótico molecular está coletando e processando informações quando vemos a emissão de luz.
A responsividade a estímulos externos é outra função essencial para canais sintéticos e forneceria a capacidade de controle remoto em robôs moleculares. A luz é um dos estímulos mais amplamente usados devido à sua alta biocompatibilidade e facilidade de controle espaço-temporal. Até agora, canais sintéticos responsivos à luz que são irreversivelmente e reversivelmente fotocontrolados foram desenvolvidos, e estudos recentes focam predominantemente no fotocontrole reversível.
Tenho discutido como o processo de automontagem da tecnologia é guiado por microrrobôs emissores de luz/estruturas semelhantes a Quantum Dot. Aqui você pode ver muitas emissões de luz coloridas diferentes.
Imagem: Sangue não vacinado de COVID19 de diferentes indivíduos expostos à eliminação. Enxame de microrrobôs esquerdo 400x, microrrobô esquerdo emitindo luz azul 2000x,
Computadores de robôs moleculares
Robôs moleculares andam de mãos dadas com computadores biológicos, onde computadores biológicos pegam entradas disponíveis e as traduzem em saídas apropriadas. Graças aos avanços na química sintética e biologia, moléculas derivadas biologicamente, como DNA e proteínas, tornaram-se prontamente disponíveis, levando ao desenvolvimento de computadores biológicos, como sistemas de computação de DNA e CFPS
Aqui é explicado que este é um computador real que está nadando em nossos corpos – que pode fazer cálculos em velocidades notáveis.
Computação de DNA
Devido à notável programabilidade do comportamento molecular do DNA com base na hibridização dependente de sequência, reações enzimáticas e reações de deslocamento de fita, a computação de DNA surgiu como um candidato promissor para a maquinaria computacional de robôs moleculares. A gênese da computação de DNA pode ser rastreada até o trabalho pioneiro de Adleman: computação massivamente paralela usando DNA projetado artificialmente por sequência. Ele codificou os nós e caminhos no problema do caminho hamiltoniano em diferentes ssDNA para executar a exploração paralela baseada em hibridização do caminho hamiltoniano correto. Ao explorar a automontagem do DNA, essa metodologia permitiu que computações em larga escala fossem realizadas com baixo consumo de energia. Além da implementação subsequente de computações matemáticas (problema de satisfatibilidade, problema de clique máximo, etc.), Benenson et al. construíram autômatos finitos baseados em DNA com dois estados usando extremidades pegajosas/cegas de DNA programadas, nuclease de restrição e ligase (Fig. 8(a)). Os dois estados nos autômatos funcionam a uma taxa de 109 transições por segundo de forma responsiva à entrada, sendo o protótipo do menor biocomputador certificado pelo Guinness World Records. Originário dos sistemas de processamento de informações únicas acima, o desenvolvimento da computação de DNA recentemente se direcionou para o processamento de informações multiplex.
Nanotecnologia de DNA
A nanotecnologia de DNA permite um controle primoroso sobre a estrutura de motivos macromoleculares e nanoescala automontados. Os nanodispositivos de DNA estão, no entanto, longe de serem estáticos e foram projetados para reconfigurar, mudar de forma e se mover em resposta a uma ampla gama de estímulos. Dos exemplos inovadores de pinças e andadores de DNA, aos deslizadores de manivela de origami e articulações demonstrados pelo grupo Castro, aos rotores bioinspirados construídos pelos grupos Dietz e Simmel, as nanomáquinas de DNA e nanoatuadores demonstraram uma capacidade incomparável de controlar diferentes tipos de movimento na nanoescala. Além disso, esses nanodispositivos podem ser acionados por meio de uma variedade de estímulos diferentes, desde o deslocamento do fio até as espécies e concentração de cátions, até mudanças no pH, exposição à luz e ação enzimática.
Conforme discutido na seção sobre nanoporos de DNA, nanoestruturas de DNA podem ser mecanicamente acopladas a membranas lipídicas usando âncoras lipofílicas, tipicamente colesterol ou tocoferol. Esse acoplamento desbloqueia vastas oportunidades para projetar tanto a morfologia quanto as respostas dinâmicas de microrrobôs baseados em GUV e células artificiais por meio de dispositivos de DNA ancorados em membrana que imitam as funções de proteínas de membrana.
A adesão à membrana está entre as funções mais básicas mediadas por receptores de superfície celular, sustentando uma infinidade de processos biológicos, incluindo motilidade, formação de tecidos, mecanossensibilização e endocitose. Explorando a seletividade das interações de pareamento de bases, ligantes de DNA sintéticos ancorados à membrana têm sido usados para induzir e programar a adesão entre membranas lipídicas (Fig. 10(a)), começando com os trabalhos seminais de Höök e colaboradores, Boxer e colaboradores e Beales e Vanderlick (Fig. 10(b)). Parolini et al. demonstraram então a montagem mediada por DNA de tecidos sintéticos termorresponsivos e, alavancando reações de troca de apoio, estabeleceram controle sobre a cinética da formação de tecidos.
Resumo:
Parece ser verdade o que eu tenho dito o tempo todo, que a interface cérebro-computador ou fusão biológica sintética da humanidade com máquinas já ocorreu involuntariamente com essa nanotecnologia autopropagadora e automontadora. Muitos outros cientistas ao redor do mundo encontraram exatamente a mesma coisa que eu mostrei no sangue e nos frascos. Se a arma biológica COVID19 foi implantada em todo o mundo e cientistas ao redor do mundo confirmarem as descobertas uns dos outros dessa tecnologia – parece ser sensato prestar atenção e investigar mais.
Certamente há muita sobreposição entre o que estamos vendo e o que a literatura científica descreve. Essas “zonas de construção”, como as chamo, parecem ser robôs biocomputadorizados totalmente funcionais, capazes de automontagem, sensoriamento, computação, engenharia de tecidos, processamento de informações e propulsão.
Fonte: https://anamihalceamdphd.substack.com/p/lipid-vesicle-based-molecular-robots