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Cientistas usaram o DNA para superar um obstáculo antigo na engenharia de materiais: a construção de materiais supercondutores.
Cientistas da Escola de Medicina da Universidade da Virgínia, nos EUA, usaram DNA para superar um obstáculo quase intransponível para a engenharia de materiais, trazendo uma potencial revolução no campo da eletrônica. A ideia de criação de materiais supercondutores já havia sido proposta cinco décadas atrás, no entanto a construção destes dispositivos enfrenta muitos desafios, como o controle de reações químicas que levam à produção de nanotubos de carbono, por exemplo. Mas, com a aplicação do DNA eles conseguiram montar uma rede de nanotubos precisa para o uso em supercondutores.
O trabalho em questão foca na montagem de materiais supercondutores que possuem resistência elétrica zero, permitindo que os elétrons fluam sem impedimentos. Isso significa que eles não perdem energia e não geram calor, ao contrário dos meios atuais de transmissão elétrica. O desenvolvimento de um supercondutor que poderia ser amplamente utilizado à temperatura ambiente – em vez de temperaturas extremamente altas ou baixas, como é feito atualmente – poderia resultar em computadores hiper-rápidos, diminuir o tamanho dos dispositivos eletrônicos, permitir que trens de alta velocidade flutuem em ímãs e reduzir o uso de energia, entre outros benefícios.
Um desses supercondutores foi proposto pela primeira vez há mais de 50 anos pelo físico de Stanford, William A. Little. Os pesquisadores passaram décadas tentando fazê-lo funcionar, mas mesmo depois de validar a viabilidade de sua ideia, eles ficaram com um desafio que parecia impossível de superar – até agora.
Pesquisadores da Universidade da Virginia, Dr. Edward H. Egelman e Leticia Beltran, uma estudante de pós-graduação em seu laboratório, utilizaram engenharia no nível atômico e a microscopia crio-eletrônica (crio-EM) para resolver este problema. A crio-EM é uma forma de microscopia eletrônica de transmissão na qual a amostra é estudada a temperaturas criogênicas e preservada em gelo. Isso permite que o funcionamento individual dos átomos dentro das proteínas – amostras mais comuns de serem analisadas pela técnica- seja observado em detalhes.
Eles partiram da hipótese de que, para criar o supercondutor proposto por Little, seria preciso modificar treliças de nanotubos de carbono – cilindros ocos de carbono tão pequenos que devem ser medidos em nanômetros. Porém, havia um grande desafio: controlar as reações químicas ao longo dos nanotubos para que a estrutura pudesse ser montada com a precisão necessária e funcionar como pretendido.
Egelman e seus colaboradores encontraram uma resposta nos próprios blocos de construção da vida. Eles pegaram moléculas de DNA, o material genético que diz às células vivas como operar, e o usaram para guiar uma reação química que superaria a grande barreira do supercondutor de Little. Em suma, eles usaram a bioquímica do DNA para realizar uma engenharia estrutural surpreendentemente precisa, e o resultado foi uma rede de nanotubos de carbono montados conforme necessário para o supercondutor de temperatura ambiente de Little.
A equipe relatou ter alcançado uma reticulação da estrutura direcionada por uma sequência de DNA, cuja reação com outra molécula produziu um efeito ordenado do nanotubo, com orientação helicoidal, assim como o formato natural das moléculas de DNA.
“Este trabalho demonstra que a modificação ordenada de nanotubos de carbono pode ser alcançada aproveitando o controle da sequência de DNA sobre o espaçamento entre os locais de reação adjacentes”, disse Egelman. A treliça que eles construíram não foi testada quanto à supercondutividade, por enquanto, mas oferece prova de princípio e tem grande potencial para o futuro. Por sua vez, a técnica de crio-EM, embora tenha emergido como a principal técnica em biologia para determinar as estruturas atômicas de conjuntos de proteínas, teve muito menos impacto na ciência dos materiais, até agora.
Egelman e seus colegas dizem que sua abordagem guiada por DNA para a construção de treliças pode ter uma ampla variedade de aplicações úteis de pesquisa, especialmente em física. Mas também valida a possibilidade de construir o supercondutor de temperatura ambiente de Little. O trabalho dos cientistas, combinado com outros avanços em supercondutores nos últimos anos, pode transformar a tecnologia como a conhecemos e levar a um futuro muito mais “Star Trek”.
“Embora muitas vezes pensemos em biologia usando ferramentas e técnicas da física, nosso trabalho mostra que as abordagens desenvolvidas na biologia podem realmente ser aplicadas a problemas de física e engenharia”, disse Egelman. “Isto é o que é tão emocionante sobre a ciência: não ser capaz de prever para onde nosso trabalho levará.”
Colaboração: Jéssica de Moura Soares sobre a autora
Jéssica de Moura Soares é Bacharel em Biotecnologia pela Universidade Federal do Ceará (UFC), Mestre e agora doutoranda em Bioquímica pela Universidade de São Paulo (USP). Se interessa por iniciativas onde a ciência ajuda a transformar o mundo em um lugar mais sustentável e igualitário. Entusiasta da divulgação científica, acredita que a ciência tem que ser de fácil acesso a todos.
Fontes e mais informações sobre o tema:
Artigo científico, intitulado “DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes”, de autoria de Lin, Z., Beltran, L., De Los Santos, Z. e colaboradores. Publicado em 28/07/22 na revista Science. DOI:10.1126/science.abo4628. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4628
Matéria no site Science Daily, intitulada “In DNA, scientists find solution to engineering transformative electronics”, publicada em 02/08/22. https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220802104946.htm
