Imagem microscópica das mitocôndrias em uma ponta de raiz de Arabidopsis thaliana. O interior da mitocôndria (matriz) é marcado por uma proteína fluorescente. Crédito:Universidade de Münster
O cálcio é um nutriente muito especial. Nas células da maioria dos seres vivos, os íons de cálcio funcionam como os chamados segundos mensageiros para transmitir sinais importantes. O mesmo se aplica igualmente às células animais, vegetais e fúngicas. Através da colaboração de vários institutos de investigação a nível nacional e internacional, membros do grupo de trabalho "Plant Energy Biology" da Universidade de Münster, liderado pelo Prof. Markus Schwarzländer, e da equipa liderada pelo Prof. Alex Costa na Universidade de Milão, identificaram agora a maquinaria molecular que permite que os íons de cálcio sejam absorvidos pelas mitocôndrias das células vegetais – e que essa forma de transporte desempenha um papel importante em sua resposta ao ser tocado. O estudo foi agora publicado na revista
The Plant Cell .
Como os íons de cálcio entram nas mitocôndrias "É surpreendente que um íon tão simples possa ser tão importante para a transmissão de informações", diz Markus Schwarzländer. "Assumimos que os íons de cálcio desenvolvem esse potencial através do local exato e do momento de sua implantação". Já se sabia desde 1965 que as mitocôndrias das plantas podem absorver íons de cálcio e desta forma – presumivelmente – estar envolvidas nas vias de sinalização do cálcio. Como exatamente o transporte é viabilizado foi, no entanto, contestado por décadas. Para a maioria dos íons, a membrana interna da mitocôndria é impermeável, mas certas proteínas na membrana podem garantir que os íons de cálcio possam passar por essa membrana parcialmente permeável e, assim, permitir que os sinais sejam transmitidos nessa organela celular.
No caso dos animais, a questão da identidade do canal de cálcio mitocondrial foi resolvida em 2011, quando pesquisadores das Universidades de Harvard e Pádua descobriram o canal de cálcio MCU (uniportador de cálcio mitocondrial). Este avanço abriu caminho para a descoberta de que as plantas também contêm genes MCU. O que ainda não estava claro, no entanto, era se esses genes também formam canais de cálcio na célula viva – até porque a absorção de íons de cálcio nas mitocôndrias de animais exibe padrões marcadamente diferentes daqueles nas mitocôndrias de plantas.
A expressão gênica revela a importância do transporte de íons de cálcio para estações de energia celular Para esclarecer o papel desempenhado pelos MCUs nas células vegetais, os pesquisadores de Münster tiveram que desativar simultaneamente três dos seis genes MCU na planta modelo Arabidopsis thaliana. Como resultado, eles restringiram a capacidade da maquinaria celular e puderam assim, pela primeira vez, observar em uma planta viva as consequências que essa restrição leva. Para isso, eles usaram uma proteína fluorescente que indica mudanças na concentração de íons cálcio nas mitocôndrias na forma de um sinal de luz.
Imagem microscópica de mitocôndrias (verde) e cloroplastos (vermelho) em células do mesofilo em uma folha de Arabidopsis thaliana. O interior da mitocôndria (matriz) é marcado por uma proteína fluorescente; nos cloroplastos, a clorofila fluoresce. Crédito:Universidade de Münster
O que se viu foi que, como resultado da desativação dos genes MCU, um número muito menor de íons de cálcio entrou nas mitocôndrias. Isso significa que os pesquisadores demonstraram não apenas que as células vivas das plantas – semelhantemente às células animais – transportam seus íons de cálcio para as mitocôndrias através dos canais MCU. "Também fomos capazes", diz Markus Schwarzländer, "de mostrar que este é, de longe, o caminho mais importante de transporte rápido de íons de cálcio para as mitocôndrias. Isso significa que agora temos a possibilidade de controlar a transmissão de sinais de íons de cálcio para a energia celular estações e, assim, possivelmente influenciar a informação codificada."
Após essa observação pioneira, a equipe usou plantas com capacidade de transporte de cálcio mitocondrial prejudicada para tentar descobrir qual o papel que o cálcio mitocondrial desempenha para a planta e sua aptidão. No caso dos animais, os íons de cálcio nas mitocôndrias regulam a produção de energia – mas não havia indicações de uma função semelhante nas plantas.
Ao analisar a expressão de todo o genoma da planta, os pesquisadores conseguiram agora demonstrar que a capacidade reduzida de transporte de íons de cálcio tem impacto na regulação do hormônio vegetal ácido jasmônico. O ácido jasmônico é um hormônio de defesa em plantas que fornece proteção contra herbívoros ao ser ativado se a planta for ferida. Entre outras coisas, o ácido jasmônico também controla a senescência - ou seja, a morte regulada de tecidos - bem como respostas a estímulos mecânicos, como ser tocado.
As plantas manipuladas pelos pesquisadores apresentaram senescência levemente atrasada:em ambientes escuros, as folhas perderam a pigmentação verde com menos rapidez. Eles também exibiram uma resposta marcadamente mais fraca ao toque. "O que é particularmente surpreendente para nós", diz Schwarzländer, "é que existe evidentemente uma ligação entre o transporte de íons de cálcio para as mitocôndrias e o processo regulatório dirigido pelo ácido jasmônico. Os resultados mostram que processos moleculares como a absorção de íons de cálcio nas mitocôndrias, que foram conservados em animais e plantas através da evolução, podem ser usados para servir a novas funções."
Uma reprogramação direcionada do transporte de cálcio mitocondrial parece ser um caminho interessante, pois controlar a resposta ao toque pode ser útil – por exemplo, na agricultura, onde as plantas são frequentemente plantadas juntas.
Investigações usando biossensores sintéticos Um dos métodos centrais usados no estudo agora publicado foi o "biossensorial in vivo". Aqui, as proteínas são projetadas - usando métodos moleculares biológicos e biotecnológicos - de tal forma que servem como sensores de medição sintéticos em organismos vivos. Quando as plantas são geneticamente transformadas, elas produzem um sensor que fornece informações ao vivo sobre o status das células em plantas vivas. Além disso, esses sensores biológicos podem ser usados para fins de medição em áreas específicas da célula. Isto é conseguido colocando-os geneticamente em um determinado compartimento da célula. Fazer isso usando métodos tradicionais é difícil porque, nesses métodos, a célula normalmente é quebrada, o que leva à perda de toda a organização dentro da célula.
