Proteínas são verdadeiras maravilhas da natureza, pois atuam como máquinas moleculares realizando funções essenciais para a vida. Dentro de cada célula, essas estruturas complexas estão em constante atividade, desempenhando papéis fundamentais como a digestão dos alimentos, contração dos músculos, condução de impulsos nervosos e o fortalecimento do sistema imunológico. Tudo o que acontece na biologia — ou quase tudo — é devido às proteínas.
Mas o que são proteínas?
A natureza usa um alfabeto de 20 aminoácidos como blocos de construção para a composição de todas as proteínas existentes. A partir disso, forças químicas entre os aminoácidos fazem com que essas moléculas se dobrem ou se disponham em estruturas tridimensionais específicas, permitindo que cada proteína execute sua função única. O processo de dobramento, embora pareça aleatório, é, na verdade, muito preciso. Cada proteína se dobra em sua forma característica todas as vezes que é produzida pelo organismo, e o processo de dobramento leva apenas uma fração de segundo.
Qualquer erro nesse processo pode resultar em uma proteína disfuncional, o que pode levar a o surgimento de doenças, processos biológicos defeituosos, entre outros problemas! Ou seja, a sequência de aminoácidos de uma proteína afeta diretamente a sua estrutura, que, por sua vez, interfere nas interações químicas entre os componentes da molécula e confere as mais notáveis funções biológicas. Por exemplo, a hemoglobina nos pulmões adota uma forma perfeitamente adequada para se ligar a uma molécula de oxigênio. Já quando a hemoglobina se move para os músculos, a forma muda ligeiramente e o oxigênio se desprende, ficando disponível para as células.
Os quatro níveis de organizações estruturais das proteínas.#ParaTododsVerem: Imagem com quatro seções que explicam a organização das estruturas das proteínas. Cada seção contém uma ilustração representativa e uma descrição. Na estrutura primária, em cor azul, há uma sequência linear de aminoácidos em círculos coloridos. Na secundária, em cor verde escuro, aparecem hélices e folhas representando interações. Na terciária, em cor verde claro, formas dobradas são exibidas, representando o dobramento da proteína. Na quaternária, em cor laranja, múltiplos dobramentos interagem em um complexo tridimensional. Fonte: Esquema adaptado do livro Princípios de Bioquímica de Lehninger por revisora.
Uma vez que os biotecnologistas compreendem qual estrutura dita a função de uma proteína de interesse, eles ganham o poder de moldar o futuro, desenvolvendo proteínas inovadoras capazes de transformar a medicina, a indústria e até mesmo o meio ambiente.
Do Natural ao Artificial: A Evolução no Design de Proteínas
O design de proteínas é a prática biotecnológica de criar proteínas com sequências de aminoácidos específicas, projetadas para dobrar-se em estruturas tridimensionais desejadas e desempenhar funções biológicas definidas. A possibilidade de se fazer um design racional de uma ferramenta molecular tão sofisticada, como as proteínas, é empolgante!
Apesar da diversidade na natureza, a evolução só mostrou uma fração minúscula do número total de proteínas possíveis. O grande fator de complexidade do design dessas moléculas está no número gigantesco de formas diferentes que uma proteína pode adotar. A natureza utiliza um alfabeto de 20 aminoácidos, e uma proteína típica é composta por uma cadeia de cerca de 100 aminoácidos. Isso resulta em 20 elevado a 100 combinações possíveis, o que gera um número na ordem de 10130 — um valor inimaginavelmente maior do que o total de proteínas que já existiram desde o início da vida na Terra. É justamente nesse vasto espaço de possibilidades que o design computacional de proteínas navega atualmente.
Por causa dessa complexidade, a humanidade aproveita o poder das proteínas de forma limitada, e o potencial total dessas moléculas ainda está longe de ser completamente explorado. Felizmente, essa realidade marcada por restrições está sendo desconstruída à medida que avanços na bioinformática e o aumento da capacidade computacional permitem predizer a estrutura tridimensional de qualquer proteína, tendo em mãos apenas a sequência de aminoácidos que a constitui. Essa inovação marca uma transição importante: do uso adaptativo de proteínas naturais para o design de proteínas artificiais com funções previamente inimagináveis.
Mas como fazemos isso? Os humanos não aprenderam a voar simplesmente modificando pássaros; em vez disso, cientistas inspiraram-se nas aves para descobrir os princípios da aerodinâmica, que os engenheiros usaram para projetar máquinas voadoras. Da mesma forma, a biotecnologia tem trabalhado por anos para desvendar os princípios fundamentais do estruturamento de proteínas, os padrões geométricos de cada dobra e a organização espacial de cada átomo e codificar esses princípios em programas de computador como Rosetta, AlphaFold e RFDiffusion. Esse novo campo do design de proteínas abre um vasto horizonte de possibilidades. É possível criar proteínas personalizadas que atendem a necessidades específicas, que vão desde combater doenças complexas até desenvolver novos materiais sustentáveis.
Como o Design de Proteínas Pode Revolucionar o Mundo
Neste contexto, podemos citar o Baker Lab do Instituto de Design de Proteínas, liderado pelo Dr. David Baker. Lá, pesquisadores estão projetando proteínas sintéticas para resolver desafios médicos e ambientais que a evolução natural levou milhões de anos para abordar – e muitas vezes de forma imperfeita.
Citação da fala do Dr. David Baker durante seu TED Talk: 5 challenges we could solve by designing new proteins. #ParaTodosVerem: No centro da imagem há o Dr. David Baker, um homem branco, de óculos, vestindo um suéter cinza enquanto fala diretamente com uma plateia. No fundo da imagem está uma figura representando o interior de uma célula, com diversas proteínas intracelulares nas cores amarelo, laranja, azul, rosa, verde e vermelho. A esquerda da imagem contém 2 trechos retirados da palestra TED Talk ministrada em 2019. Fonte: Imagem retirada TED Talk 5 challenges we could solve by designing new proteins e editada no Canva pelo autor.
No trecho acima, o Dr. Baker explica de maneira acessível como o design computacional de proteínas permite enfrentar desafios modernos. Para criar novas proteínas, primeiramente é preciso desenhar sequências de aminoácidos em computadores. Em seguida, são gerados genes sintéticos que serão inseridos em bactérias para que elas produzam essas proteínas inéditas. Depois vem a extração e, finalmente, o teste das proteínas para avaliar se funcionam como projetado e se são seguras.
Assim, quando a criatividade e a precisão científica se encontram, surge a promessa de um futuro em que as proteínas projetadas podem oferecer respostas para problemas globais e gerar oportunidades nunca vistas, como:
1. Vacina Universal Contra a Gripe: o design de proteínas pode ser o caminho para o desenvolvimento de uma vacina universal contra a gripe, capaz de fornecer proteção vitalícia contra todas as cepas, incluindo as emergentes. Isso é crucial tanto para prevenir pandemias naturais quanto para proteger contra possíveis atos de bioterrorismo.
2. Novos Terapêuticos para Dor Crônica: com a expansão do alfabeto natural de aminoácidos, os cientistas exploram a criação de novos medicamentos altamente específicos para tratar a dor crônica. Um exemplo é a ziconotida (Prialt®), um medicamento desenvolvido a partir de uma toxina do caracol marinho (Conus magus). Esse peptídeo bloqueia canais de cálcio do tipo N e é utilizado para tratar dores crônicas severas em pacientes que não respondem a opioides, oferecendo alívio mais eficaz e com menos efeitos colaterais. O design inteligente dessa molécula permitiu sua adaptação para uso seguro em humanos, sendo administrada diretamente no líquido cefalorraquidiano para maximizar a eficácia e minimizar efeitos adversos.
3. Veículos de Entrega Dirigida de Medicamentos: o design de proteínas está viabilizando a criação de veículos avançados que entregam medicamentos diretamente aos tecidos ou células-alvo, como tumores ou áreas específicas do corpo que necessitam de terapia genética. Isso aumenta a eficácia dos tratamentos e minimiza os efeitos adversos, garantindo que os medicamentos atinjam apenas os locais onde são necessários. Um exemplo promissor é o uso de nanocápsulas baseadas em ferritina, uma proteína naturalmente encontrada no organismo, que tem sido modificada para encapsular medicamentos e entregá-los diretamente a células tumorais ou regiões específicas.
4. Terapêuticas Inteligentes para Doenças Autoimunes: as terapias atuais para doenças autoimunes muitas vezes afetam as células saudáveis junto com as doentes. O design de proteínas permite a criação de terapêuticas inteligentes que identificam e tratam apenas as células imunológicas responsáveis pela doença, preservando as funções normais do sistema imunológico e melhorando significativamente a qualidade de vida dos pacientes. Um exemplo promissor é o uso de inibidores de citocinas projetados, como os bloqueadores de TNF-α, usados no tratamento da artrite reumatoide e da doença de Crohn.
5. Materiais Sustentáveis à Base de Proteínas: inspirados por materiais biológicos naturais, como seda e conchas, cientistas estão projetando novos materiais sustentáveis à base de proteínas. Esses materiais podem ser usados em diversas aplicações, desde a construção até a fabricação de dispositivos eletrônicos, oferecendo alternativas ecológicas e biodegradáveis aos materiais convencionais, e ajudando a mitigar os impactos ambientais. Um exemplo é a seda de aranha artificial, desenvolvida por meio de bioengenharia para replicar as propriedades de resistência e elasticidade dessa proteína natural. Esse material tem aplicações que vão desde a fabricação de tecidos de alta performance até suturas médicas biodegradáveis.
6. Despoluição Ambiental: o design de proteínas possibilita a criação de enzimas especializadas que podem decompor poluentes industriais, como plásticos ou produtos químicos tóxicos, de maneira eficiente e sustentável. Isso oferece uma solução inovadora para a despoluição de ambientes contaminados, promovendo a recuperação de ecossistemas e reduzindo o impacto ambiental de resíduos industriais. Um exemplo marcante é a PETase, uma enzima projetada para degradar plásticos PET (utilizados em garrafas descartáveis).
7. Biocombustíveis Avançados: ao desenvolver proteínas e enzimas que catalisem de forma mais eficiente a conversão de biomassa em biocombustíveis, o design de proteínas pode facilitar a transição para uma economia de baixo carbono e assim revolucionar a produção de energia renovável. Um exemplo é a otimização de enzimas como celulases e hemicelulases, utilizadas na quebra de biomassa lignocelulósica para produzir etanol de segunda geração.
Confira mais exemplos dessas aplicações já presentes no mercado:
- Vacinas Baseadas em Proteínas Projetadas: pesquisadores da Universidade de Washington estão desenvolvendo vacinas sintéticas que provocam respostas imunológicas mais eficazes contra o vírus RSV, um dos principais responsáveis pela mortalidade infantil. Essas vacinas superam as limitações dos métodos naturais de imunização.
- Enzimas Customizadas para Indústria Química: a empresa Arzeda desenvolve enzimas projetadas que catalisam reações químicas de forma mais eficiente e sustentável, revolucionando a produção industrial e superando as capacidades dos sistemas naturais.
- Materiais Sustentáveis como Mylo™: a Bolt Threads criou o Mylo™, uma alternativa sustentável ao couro, feito de proteínas derivadas de micélio fúngico. Este material imita o couro tradicional, mas é produzido com menor impacto ambiental, substituindo processos prejudiciais ao meio ambiente.
- Enzimas Melhoradas para Detergentes: a empresa Novozymes projetou a enzima Savinase, uma protease aprimorada para funcionar em condições adversas como altas temperaturas e pH extremos, tornando os detergentes mais eficazes.
Instituições líderes no Design de Proteínas
E você, caro leitor, se interessou por esse tema? Quer estudar mais? Confira uma lista com entidades renomadas no Design de Proteínas. Essas organizações não apenas lideram pesquisas inovadoras, mas também criam ambientes colaborativos que incentivam a troca de conhecimento e a formação de novos talentos.
- Institute for Protein Design (IPD) – Localizado na Universidade de Washington, nos Estados Unidos, o IPD é um dos principais centros de pesquisa em design de proteínas. Eles são conhecidos por suas inovações no desenvolvimento de novas proteínas e no avanço de terapias e vacinas revolucionárias.
- Caltech (California Institute of Technology) – Este instituto é conhecido por seu trabalho interdisciplinar em biologia, química e engenharia. Caltech é líder no uso de ferramentas computacionais para prever a estrutura de proteínas e no desenvolvimento de novas técnicas para a criação de proteínas artificiais.
- ETH Zurich (Swiss Federal Institute of Technology) – Localizado na Suíça, o ETH Zurich é uma das principais instituições de pesquisa em biotecnologia. Seus laboratórios têm contribuído significativamente para o desenvolvimento de novas enzimas industriais e terapêuticas, utilizando técnicas avançadas de design de proteínas.
- European Molecular Biology Laboratory (EMBL) – Com centros de pesquisa em toda a Europa, o EMBL oferece programas de pesquisa que abrangem desde a biologia estrutural até a bioinformática. Eles são líderes no estudo de proteínas e na aplicação de métodos de design para resolver problemas biológicos complexos.
- Broad Institute of MIT and Harvard – A colaboração entre duas das universidades mais prestigiosas dos Estados Unidos resultou neste centro de pesquisa em genômica e biotecnologia. O Broad Institute está na linha de frente no uso de design de proteínas para a descoberta de novos medicamentos e terapias personalizadas.
Estamos à beira de uma nova era na biotecnologia, em que o design de proteínas está redefinindo o que é possível na ciência. Não somos mais apenas observadores das maravilhas naturais; agora, somos arquitetos de novas possibilidades moleculares. Ao decifrar e aplicar os princípios fundamentais do dobramento e da função das proteínas, estamos desenvolvendo ferramentas que têm o potencial de transformar a saúde, a sustentabilidade e a indústria. À medida que avançamos nesse campo, o design de proteínas não só amplia os limites do que podemos fazer, mas também nos coloca no controle da próxima grande revolução científica. A biologia, antes limitada pelas lentas forças da evolução, agora se torna uma engenharia de precisão, com o poder de enfrentar e resolver os desafios mais complexos do nosso tempo.
Texto revisado por Sthefany Lacerda e Elaine Latocheski
Cite este artigo:
BIÃO, L. F. Como o Design de Proteínas está revolucionando a Biotecnologia? Revista Blog do Profissão Biotec, v. 11, 2024. Disponível em: <>. Acesso em: dd/mm/aaaa.
Referências
AMGEN. Designing Proteins From Scratch. Disponível em <https://www.amgen.com/stories/2019/09/designing-proteins-from-scratch>. Acesso em 22 de jun. de 2024.
ETPROTEIN. Projeto de Proteína De Novo: Abordagem Revolucionária de RFDiffusion. Disponível em https://www.etprotein.com/pt/de-novo-protein-design-revolutionary-rfdiffusion-approach/. Acesso em 25 de jun. de 2024.
INSTITUTE FOR PROTEIN DESIGN. What is protein design? A Beginner’s Guide to the Future of Biology. Disponível em <https://www.ipd.uw.edu/what-is-protein-design/>. Acesso em 20 de jun. de 2024.
TED TALKS. 5 challenges we could solve by designing new proteins | David Baker. Disponível em <https://www.youtube.com/watch?v=PJLT0cAPNfs&t=21s&pp=ygUTZGF2aWQgYmFrZXIgcHJvdGVpbg%3D%3D>. Acesso em 15 de jun. de 2024.
U. Washington. David Baker (U. Washington / HHMI) Part 1: Introduction to Protein Design. Disponível em <https://www.youtube.com/watch?v=0LetJMbu7uY>. Acesso em 18 de jun. de 2024.
UW Medicine. David Baker: Institute for Protein Design. Disponível em <https://www.youtube.com/watch?v=5CbQVPJq3II>. Acesso em 12 de jun. de 2024.
Fonte da imagem destacada: Institute of Protein Design.
