A biologia sintética busca entender os processos biológicos no nível molecular e desenvolver materiais bioinspirados, com propriedades semelhantes ou aprimoradas em relação aos organismos vivos, capazes de mimetizar esses processos. Inúmeros materiais têm sido estudados e aplicados como miméticos de proteínas redox e, dentre eles, nanopartículas de óxidos de ferro têm se mostrado como potenciais candidatos na mimetização de processos envolvendo, principalmente, reações com transferência de elétrons. Neste estudo, propõe-se a mimetização de uma etapa redox da cadeia respiratória mitocondrial, empregando-se nanomateriais a base de óxidos de ferro e uma heme proteína, o citocromo c. Para tanto, nanopartículas de magnetita (Fe₃O₄) e maghemita (γ-Fe₂O₃) foram sintetizadas e a interação nanopartícula-proteína foi, inicialmente, estudada em solução e, posteriormente, em um modelo de membrana mitocondrial (filme de Langmuir-Blodgett). Experimentos in situ mostraram interações favorecidas por forças coulombianas e de van der Waals, resultando em uma transferência de elétrons direta entre os sítios de ferro superficiais das nanopartículas e o grupo heme da proteína, acarretando uma mudança no estado de oxidação deste grupo prostético, porém sem alterar significativamente ambas as estruturas secundária e terciária da proteína. Observou-se que as nanopartículas de Fe₃O₄ se comportam como miméticos do complexo III (citocromo bc₁) da cadeia respiratória, reduzindo o ferricitocromo c (Fe³⁺-heme) à ferrocitocromo c (Fe²⁺-heme) com uma constante heterogênea de transferência de elétrons, de segunda ordem, de 2,63 ± 0,05 L mol^-1 s^-1 a 25ºC, e energia de ativação de 40,2 ± 1,5 kJ mol^-1. Já as nanopartículas de γ-Fe₂O₃ atuam como miméticos do complexo IV (citocromo c oxidase) da cadeia respiratória, reoxidando ferrocitocromo c à ferricitocromo c. Os resultados indicaram que a transferência de elétrons é dependente da proporção Fe²⁺/Fe³⁺ superficiais nas nanopartículas, uma vez que, a redução do ferricitocromo c é controlada pelos íons Fe²⁺, enquanto a oxidação do ferrocitocromo c, por sua vez, é dependente dos íons Fe³⁺+. Observou-se que quando incorporadas em um modelo de membrana mitocondrial, ambas as nanopartículas mantêm sua atividade redox frente ao citocromo c, indicando que sistemas inorgânicos nanoestruturados podem se comportar como complexos proteicos em um modelo de membrana celular.

Synthetic biology pursues the understanding of biological processes in a molecular level, as well as, the design of bioinspired materials, with analogous or improved properties compared with the living organisms, able to mimicry those processes. A number of materials have already been studied and applied as redox proteins mimetics and, among these, iron oxides nanoparticles have shown themselves as potential candidates in the mimicry of processes involving, mainly, electron transfer reactions. In this study, we propose the mimicry of an important redox step of the mitochondrial respiratory chain, applying iron oxides-based nanomaterials and a heme protein, the cytochrome c. For such, magnetite nanoparticles (Fe₃O₄) and maghemite nanoparticles (γ-Fe₂O₃) were synthesized and the nanoparticle-protein interaction was, initially, proven in solution and, further, in a mitochondrial membrane model (Langmuir-Blodgett film). In situ experiments showed interactions highly favored by coulombic forces and van der Waals, resulting in a direct electron transfer between the superficial iron sites of the nanoparticles and the protein heme group, which by consequence changes the oxidation state of this prosthetic group, but not affecting the protein secondary and tertiary structures, though. We observed that the Fe₃O₄ nanoparticles behave as a complex III (cytochrome bc₁) mimetic, reducing the ferricytochrome c (Fe³⁺-heme) to ferrouscytochrome c (Fe²⁺-heme) with a second-order heterogeneous electron transfer rate constant of 2.63 ± 0.05 L mol^-1 s^-1 at 25ºC, with an activation energy of 40.2 ± 1.5 kJ mol^-1. The γ-Fe₂O₃nanoparticles, on the other hand, act as a complex IV (cytochrome c oxidase) mimetic, re-oxidizing ferrouscytochrome c to ferricytochrome c. The results indicated that the extent of the reaction depends on the Fe²⁺/Fe³⁺ ratio on the surface of the nanoparticles, since superficial Fe²⁺ ions control the ferricytochrome c reduction, while ferrouscytochrome c oxidation depends on superficial Fe³⁺ions. We also observed that, when incorporated in mitochondrial cell membrane model, both nanoparticles maintain their redox activity towards cytochrome c, indicating that inorganic nanostructured systems may behave as protein complexes in a cellular membrane model.