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Pesquisadores encontram indícios de um ‘estado oculto’ envolvendo um dos íons mais abundantes da Terra
Ao conduzir uma investigação direta sobre o mecanismo de montagem de aglomerados de fosfato de cálcio, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara (UCSB) e da Universidade de Nova York (NYU), nos Estados Unidos, fizeram uma descoberta surpreendente: os íons de fosfato na água têm o curioso hábito de alternar espontaneamente entre seu estado hidratado comumente encontrado e um estado ‘escuro’ misterioso e não relatado anteriormente. Esse comportamento recentemente descoberto, disseram os pesquisadores, tem implicações para a compreensão do papel das espécies de fosfato na biocatálise, no balanço de energia celular e na formação de biomateriais. As descobertas foram publicadas na revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
“O fosfato está em toda parte”, disse a Dra. Songi Han, professora de Química da UCSB e uma das autoras do artigo. O íon consiste em um átomo de fósforo rodeado por quatro átomos de oxigênio. “Está em nosso sangue e em nosso soro. Está em nosso DNA e RNA. É também um componente estrutural de nossos ossos e membranas celulares”, acrescentou a professora.
Quando ligados ao cálcio, os fosfatos formam pequenos aglomerados moleculares a caminho de formar depósitos minerais nas células e nos ossos. Isso é o que a Dra. Songi Han e os colaboradores Dr. Matthew Helgeson, da UCSB, e Dr. Alexej Jerschow, da NYU, estavam se preparando para estudar e caracterizar, na esperança de descobrir comportamentos quânticos em aglomerados de fosfato simétricos propostos pelo professor de física da UCSB Dr. Matthew Fisher. Mas, primeiro, os pesquisadores tiveram que estabelecer experimentos de controle, que envolveram varreduras de íons de fosfato na ausência de cálcio por meio de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) e microscopia eletrônica de transmissão criogênica (crio-TEM).
Mas como os alunos da UCSB e da NYU no projeto estavam coletando dados de referência, que envolviam o isótopo 31 de ocorrência natural em soluções aquosas em várias concentrações e temperaturas, seus resultados não correspondiam às expectativas. Por exemplo, disse a Dra. Han, a linha que representa o espectro para o 31P durante as varreduras de NMR deve se estreitar com o aumento das temperaturas.
“A razão é que, conforme você vai para temperaturas mais altas, as moléculas caem mais rápido”, explicou a professora. Normalmente, esse movimento molecular rápido compensaria as interações anisotrópicas, ou interações que dependem das orientações relativas dessas pequenas moléculas. O resultado seria um estreitamento das ressonâncias medidas pelo instrumento NMR.
“Esperávamos um sinal de NMR de fósforo, que é simples, com um pico que se estreita com temperaturas mais altas”, disse ela. “Surpreendentemente, porém, medimos espectros que estavam se ampliando, fazendo o oposto do que esperávamos.”
Esse resultado contra-intuitivo colocou a equipe em um novo caminho, seguindo experimento após experimento para determinar sua causa em nível molecular. A conclusão, depois de um ano eliminando uma hipótese atrás da outra: os íons de fosfato estavam formando aglomerados sob uma ampla gama de condições biológicas – aglomerados que evitavam a detecção espectroscópica direta, o que provavelmente explicava por que não haviam sido observados antes. Além disso, as medições sugeriram que esses íons estavam alternando entre um estado visível ‘livre’ e um estado escuro ‘montado’, daí o alargamento do sinal em vez de um pico agudo.
Esses conjuntos dinâmicos de fosfato têm implicações importantes para a biologia e a bioquímica, de acordo com os pesquisadores. “Fosfato é uma ‘moeda’ comumente usada em sistemas biológicos para armazenar e consumir energia por meio da conversão em trifosfato de adenosina (ATP) e difosfato de adenosina (ADP). Se fosfato hidratado, ADP e ATP representam pequenas ‘cédulas’ dessa moeda, essa nova descoberta sugere que essas moedas menores podem ser trocadas por denominações muito maiores, que podem ter interações muito diferentes com processos bioquímicos em relação aos mecanismos atualmente conhecidos”, disse o engenheiro químico Matthew Helgeson.
Além disso, muitos componentes biomoleculares incluem grupos fosfato que podem, de forma semelhante, formar aglomerados. Portanto, a descoberta de que esses fosfatos podem se montar espontaneamente pode lançar alguma luz sobre outros processos biológicos fundamentais, como a biomineralização – como as conchas e os esqueletos se formam, bem como as interações das proteínas.
“Também testamos uma variedade de fosfatos, incluindo aqueles incorporados à molécula de ATP, e todos parecem mostrar o mesmo fenômeno, e alcançamos análises quantitativas para esses conjuntos”, concluiu o coautor Jiaqi Lu.
Acesse o artigo científico completo (em inglês).
Acesse a notícia completa na página da Universidade da Califórnia em Santa Barbara (em inglês).
Fonte: Sonia Fernandez, UCSB.
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