Transporte de molÃculas orgÃnicas atravÃs de poros nanoscÃpicos unitÃrios

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2006

RESUMO

A interaÃÃo do nanoporo protÃico (canal iÃnico) formado pela α-hemolisina (α-HL) em suporte lipÃdico plano (membrana) com polÃmeros do etilenoglicol foi investigada sob dois aspectos: i) entender as bases fÃsico-quÃmicas do processo de transporte destas molÃculas orgÃnicas via poros nanoscÃpicos e, ii) examinar a viabilidade do emprego do poro nanoscÃpico como elemento sensor, para detecÃÃo estocÃstica e monitoramento em tempo real de compostos orgÃnicos em sistemas aquosos. A escolha de duas formas de um mesmo polÃmero deve-se ao fato de que apesar deles serem quimicamente semelhantes e estÃveis, geram estruturas com massa e configuraÃÃes moleculares diferentes: circular, o Ãter de coroa (1,4,7,10,13,16-hexaciclooctano, 264 Da), e linear, polietilenoglicÃis (PEGs, 200 a 3000 Da). A repulsÃo entrÃpica à o principal fator determinante da interaÃÃo entre o nanoporo e estas molÃculas em concentraÃÃes de KCl menores que 1 M. O aumento na concentraÃÃo de KCl atà 4 M, aumenta fortemente a forÃa de interaÃÃo entre o nanoporo e o polÃmero, tornando-a maior que a repulsÃo entrÃpica. O potencial transmembrana, a estrutura e a massa molecular do polÃmero tambÃm influem fortemente nesta interaÃÃo. A presenÃa destas molÃculas orgÃnicas no lume aquoso do canal manifesta-se por decrÃscimo na condutÃncia iÃnica mÃdia do nanoporo, e aumento no ruÃdo de corrente iÃnica. Para o Ãter de coroa (264 Da) e PEGs com massas moleculares (200-400 Da) semelhantes, o ruÃdo âbrancoâ atà 1 kHz, indica um rÃpido intercÃmbio destas molÃculas entre o canal e a soluÃÃo banhante da membrana. Todavia contrariamente aos PEGs (200-400 Da), a reduÃÃo de condutÃncia (indicativo do particionamento do Ãter de coroa no canal), e a intensificaÃÃo do ruÃdo de corrente (relativo à dinÃmica do polÃmero no nanoporo) dependem fortemente e de forma nÃo monotÃnica do potencial transmembrana, demonstrando que o Ãter de coroa atua formando complexo com K+, enquanto que os PEGs menores, sÃo neutros. Considerando o fenÃmeno de ocupaÃÃo do canal pelo Ãter de coroa, descrito por um modelo Markoviano de dois estados, determinamos que o seu tempo de permanÃncia no interior do canal, à mÃximo (~3 μs), na mesma voltagem (100 mV) em que ocorre a maior reduÃÃo da condutÃncia iÃnica. Por outro lado, PEGs de massa molecular maior (600, 1000, 1500, 2000 e 3000 Da) em concentraÃÃes salinas elevadas (>1 M KCl), interagem com o nanoporo, dependentemente do potencial transmembrana, indicando a presenÃa de carga elÃtrica nas molÃculas destes polÃmeros, nessas condiÃÃes. Estas interaÃÃes sÃo muito mais fortes que Ãquelas observadas para o Ãter de coroa e PEGs de menor massa; conseqÃentemente manifestam-se nÃo sà por aumento do ruÃdo de corrente iÃnica, mas, principalmente, pela geraÃÃo de âassinaturas molecularesâ especÃficas, que correspondem a profundidade de bloqueio e o tempo de permanÃncia de cada molÃcula do PEG, no lume aquoso do nanoporo. Os decrÃscimos nas condutÃncias do canal (bloqueios) induzidos por PEGs foram praticamente proporcionais as variaÃÃes na condutividade da soluÃÃo salina banhante da membrana, indicando que a Ãgua no lume do poro nanoscÃpico e na soluÃÃo banhante da membrana, se comporta de maneira similar, e que a presenÃa do polÃmero reduz a condutividade em ambos os meios por um mesmo mecanismo. A interaÃÃo entre os PEGs e o nanoporo depende da massa molecular do polÃmero. Em 4 M de KCl, o tempo de ocupaÃÃo do poro aumentou de ~0.04 ms, na presenÃa do PEG 600 Da, para ~270 ms, no caso do PEG 3000 Da (uma diferenÃa de ~6000 vezes), enquanto que o coeficiente de partiÃÃo aumentou em ~250 vezes. A energia de interaÃÃo entre o nanoporo e os PEGs (≥1000 Da) foi estimada em ~0.13 kT por monÃmero do polÃmero. Deste modo altas concentraÃÃes de cloreto de potÃssio na soluÃÃo banhante da membrana, aumenta a energia da interaÃÃo das molÃculas polimÃricas com o nanoporo, criando as condiÃÃes favorÃveis para detecÃÃo estocÃstica de PEGs (600 a 3000 Da). Outrossim, a viabilizaÃÃo do sistema nanoporomembrana como elemento sensor para o desenvolvimento de biossensores estocÃsticos à possÃvel, porÃm, estudos adicionais referentes à sua estabilizaÃÃo fÃsico-quÃmica, aquisiÃÃo e automaÃÃo da anÃlise de assinaturas digitais de corrente, sÃo necessÃrios

ASSUNTO(S)

ciencias biologicas α nanoporo sensor estocÃstico α -hemolysin stochastic sensor membrane -hemolisina nanopore nanotubo membrana

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