Peptídeos de design para coacervados funcionais de base única com atividade catalítica aprimorada

Coacervados compostos por péptidos que sofrem separação de fases líquido-líquido (LLPS). Estes coacervados peptídicos podem ser adaptados para aplicações na administração de medicamentos, biossensores, bioeletrónica e numa variedade de outros fins biotecnológicos.

CONTEXTO

A separação de fases líquido-líquido (LLPS) em células vivas oferece caminhos inovadores para sistemas catalíticos compartimentados sintéticos. Embora a LLPS tenha sido explorada para melhorar a catálise enzimática, a sua potencial aplicação em peptídeos catalíticos permanece inexplorada.

Portanto, há uma necessidade de melhorar a eficiência catalítica dos peptídeos. Os peptídeos catalíticos são moléculas altamente flexíveis que, embora vantajosas em termos de adaptabilidade, podem sofrer redução da eficiência catalítica devido à sua mobilidade conformacional, especialmente em soluções aquosas. Essa flexibilidade apresenta desafios para alcançar uma atividade catalítica consistente e eficiente, pois a falta de estrutura muitas vezes dificulta o alinhamento adequado do substrato e reduz as taxas de reação. Assim, o desafio técnico é restringir o movimento dos peptídeos para estabilizar efetivamente as suas conformações e formar domínios peptídicos estruturados, o que aumentará as taxas de reação locais e melhorará a eficiência catalítica geral.

Esta tecnologia permite que um único peptídeo induza a compartimentação, regule e medie funções específicas. Ela fornece prova de conceito para o estabelecimento de compartimentos de baixa complexidade, baseados em um único peptídeo, com diversas aplicações potenciais em áreas como administração de medicamentos, sensoriamento e bioeletrónica.

A abordagem inovadora de usar peptídeos projetados para criar estruturas funcionais e compartimentadas oferece uma plataforma versátil para o desenvolvimento de novos materiais e sistemas com propriedades e funcionalidades personalizadas.

SOBRE A TECNOLOGIA

Esta tecnologia apresenta uma abordagem inovadora, baseada em dados, para identificar motivos promotores de LLPS em proteínas de separação de fases (PhSePs) e projetar peptídeos minimalistas capazes de sofrer separação de fases e formar compartimentos funcionais. A combinação de análise computacional e validação experimental oferece um método poderoso para compreender e manipular a formação de condensados biomoleculares.

A validação experimental dos peptídeos projetados demonstrou que as sequências peptídicas que compreendem motivos enriquecidos e/ou projetados a partir da sinergia e coocorrência desses motivos podem sofrer LLPS e formar compartimentos. A avaliação da propensão ao LLPS foi realizada em condições fisiológicas (tampão PBS), com imagens de coacervados usando microscopia confocal e experimentos de recuperação de fluorescência após fotodescoloração (FRAP) para avaliar a dinâmica das gotículas.

A tecnologia se estende a compartimentos funcionais de peptídeos de base única. As sequências peptídicas que apresentam padrões e/ou motivos LLPS podem ser combinadas com sequências peptídicas funcionais, permitindo a formação de coacervados funcionais à base de peptídeos. Como exemplo, foi projetada uma sequência peptídica com proficiência inerente na hidrólise de moléculas de éster fosfático e afinidade de ligação com conjuntos fosforilados. Esta sequência peptídica forma coacervados biomoleculares com domínios peptídicos estruturados proficientes na hidrólise de moléculas de éster fosfático (com um aumento de 15 000 vezes na eficiência catalítica) e no sequestro seletivo de proteínas fosforiladas.

Esta tecnologia fornece uma nova abordagem poderosa para compreender os determinantes da sequência do LLPS e projetar coacervados minimalistas à base de peptídeos com funcionalidade aprimorada de regulação do recrutamento de substratos, mediação catalítica e estabilidade. Ela fornece uma prova de conceito para compartimentos de baixa complexidade baseados em peptídeos únicos com aplicações potenciais na administração de medicamentos, biossensores e na criação de condensados biomoleculares sintéticos para diversos fins biotecnológicos.

Esta tecnologia tem aplicação potencial para a deteção/reconhecimento de alvos específicos de fosfato, como para a deteção de formas supramoleculares dependentes de fosforilação de uma proteína, como a Tau.

Figura 1: Esboço da tecnologia – Figura I: Ilustração da estratégia utilizada neste trabalho, aproveitando a separação de fases líquido-líquido (LLPS) para melhorar a catálise peptídica. São representados coacervados biomoleculares compostos por um único peptídeo (P7), com domínios peptídicos densamente compactados (onde a estrutura em gancho ß totalmente dobrada é estabilizada) e que são proficientes em (1) hidrolisar moléculas de éster fosfato (por exemplo, pNPP, p-nitrofenil fosfato com um aumento de 15.000 vezes na eficiência catalítica em relação aos peptídeos solúveis; e 2) sequestrar seletivamente conjuntos de fosforil (por exemplo, BSAp, albumina sérica bovina fosforilada) por meio de interações de afinidade.

Figura 2: Eficiência catalítica e estabilidade aprimoradas dos coacervados P7 ao longo do tempo. a Esquema de reação representando a hidrólise do fosfato de p-nitrofenilo (pNPP) (b) cinética dos coacervados à base do peptídeo P7 (em quadrados azuis) e P7 em solução a granel (pontos vermelhos) em relação ao substrato pNPP. O ajuste dos dados seguiu a equação de Michaelis-Menten V0 = V max½ S =ðKMÞ. Os dados são apresentados como valores médios ± SD (n = 3) de três experiências independentes. Na solução a granel, as barras de erro não são visíveis (c) Imagens representativas de microscopia confocal mostrando a estabilidade dos coacervados à base de P7 durante a hidrólise do pNPP, às 0 h vs 48 h. Os dados de origem são fornecidos como um ficheiro de dados de origem (d), Esquema de reação ilustrando a hidrólise do fosfato de 2´-[2-benzotiazol]−6´-hidroxibenzotiazol (BBTP). e Imagens confocais representativas mostrando a progressão da hidrólise do BBTP ao longo do tempo. f. Porcentagem de coacervados que são fluorescentes devido à formação do produto BBT durante a hidrólise do BBTP ao longo do tempo. Os dados são apresentados como valores médios ± SD (n = 5) de cinco amostras independentes. Os dados de origem são fornecidos como um ficheiro de dados de origem. Todas as barras de escala: 10 μm

MAIS DETALHES

Calvario J, Antunes D, Cipriano R, Kalafatovic D, Mauša G, Pina, AS*, Investigating Amino acid Enrichments and Patterns in Phase-Separating Proteins: Understanding Biases in Liquid-Liquid Phase Separation. Biomacromolecules 26, 7247 (2025) DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c00224

Reis DQP, Pereira S, Ramos AP, Pereira PM, Morgado L, Calvário J, Henriques AO, Serrano M, Pina AS* Catalytic peptide-based coacervates for enhanced function through structural organization and substrate specificity. Nature Communications 15, 9368 (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-53699-z

ESTÁGIO DE DESENVOLVIMENTO  

Atualmente, o desenvolvimento tecnológico está no TRL2.

BENEFÍCIOS E APLICAÇÕES

A potencial plataforma coacervada tem ampla utilidade como microrreator, permitindo a catálise através do ajuste de microcompartimentos de separação de fases líquido-líquido programáveis por sequência, que podem ser usados para sintetizar intermediários para a indústria farmacêutica de maneira mais sustentável. As aplicações de biorremediação incluem o uso desses compartimentos para catalisar reações que requerem condições extremas, como descontaminação do solo e purificação da água. As aplicações de biossensoriamento envolvem o enriquecimento de biomarcadores sensíveis para apoiar o desenvolvimento de tecnologias avançadas de sensoriamento, devido ao seu reconhecimento molecular ajustável para diversos alvos. Os mesmos princípios podem ser explorados para a administração terapêutica inteligente, na qual os medicamentos são encapsulados dentro dos compartimentos, enquanto a estrutura do coacervado funciona como o módulo de direcionamento molecular.

• Coacervados de peptídeo único: A tecnologia demonstra a capacidade de criar coacervados funcionais usando uma única sequência de peptídeo que pode simultaneamente induzir a separação de fases, recrutar substratos seletivamente e mediar a catálise. Isso simplifica o design de condensados biomoleculares sintéticos em comparação com sistemas multicomponentes.
• Absorção molecular seletiva: Os coacervados mostram a capacidade de sequestrar seletivamente proteínas fosforiladas em relação às suas contrapartes não fosforiladas, demonstrando potencial para encapsulamento molecular direcionado.
• Estabilidade sem membranas: Ao contrário dos coacervados típicos que requerem membranas circundantes para estabilidade, os coacervados à base de peptídeos demonstram estabilidade excepcional por longos períodos.

PROPRIEDADE INTELECTUAL

• PCT/IB2025/061103 depositado a 30.10.2025

OPORTUNIDADE

• Disponível para licenciamento exclusivo e não exclusivo
• Em busca de parceiros para co-desenvolvimento e/ou investigação patrocinada

NOVA Inventors

Ana Pina

Diogo Antunes

Pedro Pereira

Maria Leonor Morgado

Joana Calvário

David Reis