Detecção de pesticidas e efeitos de suas misturas sobre sistemas miméticos da membrana celular

Abstract

A exposição simultânea a dois ou mais poluentes pode gerar o chamado “efeito coquetel”, ou seja, ação combinada de mais de um poluente que pode provocar efeitos diversos daqueles observados isoladamente. Nesse contexto, foram investigados os pesticidas acefato e diuron, associados a efeitos neurológicos e carcinogênicos, respectivamente, isolados ou em mistura (ou coquetel). A ação dos pesticidas foi estudada em sistemas miméticos da membrana celular baseados em mono- e bicamadas lipídicas compostas pela mistura POPC/colesterol/esfingomielina (70/20/10 mol %). Os resultados de monocamadas lipídicas envolvendo isotermas π-A, espectroscopia de absorção-reflexão no infravermelho por modulação da polarização (PM-IRRAS) e microscopia por ângulo de Brewster (BAM) mostraram que os pesticidas interagem predominantemente com a região polar das cabeças dos lipídios, corroborado por cálculos de Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e por dinâmica molecular. Os dados de PM-IRRAS sugerem um maior impacto da mistura de pesticidas na monocamada ternária em nível molecular, evidenciado pela alteração na conformação e orientação da estrutura O-C-C-N na região da cabeça polar. Embora o coquetel não tenha induzido mudanças morfológicas significativas nas bicamadas lipídicas (GUVs), o número de vesículas contadas após a exposição ao coquetel foi significativamente reduzido, tanto para as vesículas expostas após a formação quanto para aquelas expostas durante a formação das GUVs. Experimentos de ITC indicaram baixa afinidade entre os pesticidas e as vesículas. Além disso, ensaio de citotoxicidade aponta para uma maior toxicidade do coquetel, uma vez que a viabilidade celular na presença da mistura se mostrou menor se comparada aos resultados com os pesticidas isolados. Esses resultados evidenciam o impacto do ‘efeito coquetel’ em membranas lipídicas, destacando os potenciais riscos à saúde associados a misturas de pesticidas. Por fim, para detectar o pesticida acefato, foi realizado um estudo para desenvolver um sensor colorimétrico utilizando nanopartículas de ouro com L-cisteína. O sistema apresentou sensibilidade para concentrações da ordem de 10⁻⁷ mol/L, demonstrando potencial aplicação como ferramenta para monitoramento ambiental.

Simultaneous exposure to two or more pollutants may lead to the so-called “cocktail effect”, i.e., the combined action of multiple pollutants that can produce different effects from those observed for the individual compounds. In this context, the pesticides acephate and diuron, associated with neurological and carcinogenic effects, respectively, were investigated individually and in mixture (or cocktail). The action of the pesticides was studied in mimetic systems of the cell membrane based on lipid mono- and bilayers composed of a POPC/cholesterol/sphingomyelin mixture (70/20/10 mol%). Results obtained from lipid monolayers, including π–A isotherms, polarization modulation infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS), and Brewster angle microscopy (BAM), showed that the pesticides interact predominantly with the polar head region of the lipids, which was further supported by Density Functional Theory (DFT) calculations and molecular dynamics simulations. PM-IRRAS data suggest a stronger impact of the pesticide mixture on the ternary monolayer at the molecular level, evidenced by changes in the conformation and orientation of the O–C–C–N structure in the polar head region. Although the cocktail did not induce significant morphological changes in lipid bilayers (GUVs), the number of total vesicles counted after exposure to the cocktail was significantly reduced, both for vesicles exposed after formation and for those exposed during the formation. Isothermal titration calorimetry (ITC) experiments indicated low affinity between the pesticides and the lipid bilayers. In addition, cytotoxicity assays indicated higher toxicity for the cocktail, as cell viability in the presence of the pesticide mixture was lower than that expected from the proportional effects of the individual pesticides. These results highlight the impact of the cocktail effect on lipid membranes, emphasizing the potential health risks associated with pesticide mixtures. Finally, in order to detect the pesticide acephate, a colorimetric sensor based on gold nanoparticles with L-cysteine was developed. The system showed sensitivity to concentrations of the order of 10⁻⁷ mol L⁻¹, demonstrating its potential application as a tool for environmental monitoring.