Materiais Supramoleculares e Automontagem

img_dest_mat_s_autonomos_06

A química supramolecular, também chamada de “química além da molécula”, foca no estudo de eventos de reconhecimento molecular que levam à formação de conjuntos automontados de ordem superior, que são mantidos por interações intermoleculares ou não-covalentes (Lehn, 1988; Lehn, 2007). As moléculas naturais, como as proteínas, oligonucleotídeos, lipídeos e seus complexos multi-moleculares, foram e ainda são a maior fonte de inspiração para o desenvolvimento da química supramolecular e nanotecnologia (vide o prêmio Nobel de 2016) na área de química relacionado à criação de máquinas moleculares.

Entre as diferentes classes de materiais, os polímeros se destacam muitas vezes, devido a sua grande versatilidade de aplicações. Atualmente, os polímeros apresentam propriedades interessantes para as ciências dos materiais; eles podem ser facilmente sintetizados com grande controle de massa molecular, com os mais diferentes componentes monoméricos, gerando diferentes arquiteturas moleculares que podem ser processadas também por diversas metodologias. O desenvolvimento dos copolímeros em bloco também tem ajudado a elucidar a formação de diferentes estruturas em escala nanoscópicas. Além disso, os compósitos baseados em polímeros e as blendas poliméricas atraem muita atenção devido às infinitas combinações possíveis de serem realizadas.

O grupo de pesquisa do Prof. Wendel A. Alves (ver página do grupo) tem experiência em síntese e caraterização de nanocompósitos poliméricos, baseados em nanomateriais inorgânicos e peptídicos para imobilização de biomoléculas, no qual permite a investigação físico-química destes materiais visando aplicações na área de conversão de energia, farmacológica e industrial. Um amplo conjunto de ferramentas analíticas é empregado para trazer informações acerca de propriedades estruturais, reológicas e térmicas que, presumivelmente, guardam relação direta com as características químicas desenvolvidas na síntese dos materiais. Desta forma, o objetivo do grupo é obter diferentes arquiteturas supramoleculares com potenciais aplicações em energia/meio ambiente (fotossíntese artificial, fotocatálise e eletrocatálise) e saúde (estudo de agregação de peptídeos e proteínas, terapia fotodinâmica, liberação controlada e biodispositivos eletrônicos).

img_dest_mat_s_autonomos_01img_dest_mat_s_autonomos_02Um estudo recente do grupo mostra a importância da estrutura cristalina de peptídeos, em particular aquelas formadas por L,L-difenilalanina, nas suas propriedades físico químicas (Multifunctional Biosensors Based on Peptide-Polyelectrolyte ConjugatesPhys. Chem. Chem. Phys. 201618, 3223-3233). Figura ao lado: A) Estrutura hexagonal P61 das FF-MNSs representada ao longo do eixo c. Moléculas de água localizadas no interior dos nanotubos de peptídeo aparecem ligadas com linhas sólidas que delimitam a cela unitária. B) Estrutura cristalina das FF-MNSs ortorrômbicas P22121 – a linha sólida delimita a célula unitária. (Langmuir 2014, 30, 11464-11473). Nesse trabalho, as propriedades eletrônicas das micro-/nanoestruturas de L,L-difenilalanina (FF-MNSs) nas duas estruturas cristalinas: hexagonal (P61) e ortorrômbica (P22121), na presença do polieletrólito poli(alilamina hidroclorada) (PAH), foram determinadas experimentalmente utilizando técnicas eletroquímicas e cálculos teóricos. Os resultados obtidos mostram que a estrutura ortorrômbica pode ser dopada com PAH para melhor injeção de elétrons e buracos nas FF-MNSs. Essa nova propriedade abre oportunidades para o desenvolvimento de novos compósitos peptídeo-polímero com dopagem do tipo-p. Como prova de conceito, realizou-se estudos eletrocatalíticos da microperoxidase-11 (MP11) adsorvida sobre matrizes peptídicas, na presença de PAH, sobre eletrodos de carbono vítreo.

A estrutura supramolecular formada protege o grupo heme, prevenindo a sua degradação, facilitando o transporte de substratos e a redução catalítica do peróxido de hidrogênio na superfície do eletrodo. Além disso, o eletrodo modificado foi avaliado como mediador para um biossensor de glicose oxidase, obtendo-se uma boa sensibilidade (0,78 ±0,02 µA cm-2 mmol-1 L) e limite de detecção (77 µmol L-1) em uma ampla faixa de concentração de glicose. A boa sensibilidade frente à detecção do analito de estudo está relacionada à presença de micro-/nanoestruturas presentes no filme, que facilitam a transferência eletrônica entre a proteína e a superfície do eletrodo. Desta forma, o sistema supramolecular formado é um material promissor para a fabricação de novos dispositivos de terapia e de diagnóstico clínico multimodal.

img_dest_mat_s_autonomos_03img_dest_mat_s_autonomos_04A) Curva de calibração para a detecção de glicose no eletrodo Nafion/GOx/(Ort+MP11+PAH)/ECV com a respectiva regressão linear. O potencial aplicado foi de E= +50 mV vs ECS, fio de Pt como CE e ECS como referência. O inset mostra o dado de cronoamperometria obtidas após sucessivas adições de glicose. B) Em adição, um esquema representando o caminho da reação pelo eletrodo para a detecção indireta de glicose é mostrado, na representação, em preto é o ECV, os cilindros vermelhos representam as estruturas ortorrômbicas modificas com MP11 e PAH, em amarelo uma representação da GOx e a camada em azul claro representa o recobrimento com Nafion. (Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 3223-3233).




Quando átomos, íons ou moléculas são arranjados em uma maneira ordenada, periódica, com uma repetição tridimensional “infinita”, temos um material cristalino. Informações sobre a estrutura cristalina dos materiais podem ser obtidas com o uso da difração de raios X por policristais (DRXP). No Laboratório de Cristalografia e Caracterização Estrutural de Materiais (LCCEM), localizado no Centro de Ciências Naturais e Humanas (CCNH) da Universidade Federal do ABC (UFABC), coordenado pelo Prof. Dr. Fabio Furlan Ferreira, diversas pesquisas envolvendo a DRXP vêm sendo conduzidas, principalmente no estudos de insumos farmacêuticos e novos compostos candidatos a fármacos, estes últimos produzidos no LASSBio® – Laboratório de Avaliação e Síntese de Substâncias Bioativas da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), coordenado pelo Prof. Dr. Eliezer J. Barreiro, com o qual mantemos intensa colaboração científica.

img_dest_mat_s_autonomos_05

Gráfico de Rietveld do refinamento final. As cruzes pretas representam os dados observados, a linha vermelha indica o padrão calculado e a linha azul na parte inferior da figura representa a diferença entre o padrão observado e o calculado. As barras verticais verdes indicam as reflexões de Bragg. A partir de 30° (2q) o padrão foi ampliado (5x) para melhor visualização. Um dos recentes exemplos de sucesso do emprego da técnica de DRXP na determinação da estrutura cristalina de compostos bioativos N-acilhidrazônicos (NAH) derivados do safrol, que apresentaram resultados promissores na vasodilatação intensa e nas propriedades anti-hipertensivas, está descrito no trabalho “Structural characterization of LASSBio-1289: a new vasoactive N-methyl-N-acylhydrazone derivative”, fruto de uma parte da tese de doutorado da Dra. Juliana Alves Pereira Sato, egressa do Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados. O composto LASSBio-1289 promoveu intensa vasodilatação além de ter apresentado atividade anti-hipertensiva. Ele é um composto inovador, sem similaridades estruturais com as três principais classes de antagonistas de cálcio comumente utilizadas (1,4-dihidropiridinas, benzotiazepinas e fenilalquilaminas). O conhecimento completo da estrutura cristalina, incluindo a esteroquímica, é essencial para promover a otimização na descoberta de novos fármacos. Nesse trabalho foi determinada a estrutura cristalina desse novo composto vasodilatador com o uso de dados de difração de raios X por policristais e um algoritmo de “simulated annealing”. O resultado final foi otimizado com o uso do método de Rietveld de refinamento de estruturas cristalinas, que nos permitiu observar a configuração relativa E da dupla ligação imínica da subunidade N-acilhidrazona, bem como as interações intermoleculares mais relevantes. Na Figura 1 está mostrado o gráfico de Rietveld do modelo final.

A estrutura cristalina do composto consiste de 4 fórmulas unitárias por cela unitária (Z = 4), acomodando uma molécula na unidade assimétrica (Z’ = 1). A Figura 2 ilustra o empacotamento das moléculas na cela unitária do composto, que cristalizou em um sistema cristalino monoclínico, com parâmetros de rede a = 14.5118(3) Å, b = 12,1374(2) Å, c = 7.5498(1) Å, b = 91,113(1)° e V = 1329,53(4) Å3.

img_dest_mat_s_autonomos_07

img_dest_mat_s_autonomos_08

Figura acima mostra (a) Estrutura molecular do composto LASSBio-1289 indicando os átomos não hidrogenoides como esferas. As esferas cinzas claras representam os átomos de hidrogênio (não identificados). (b) Cela unitária do LASSBio-1289, ao longo do eixo c, com Z = 4.

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *