As células vegetais usam sinais elétricos para processar e transmitir informações. Em 1987, como pós-doutorando de Erwin Neher em Göttingen, o biofísico Rainer Hedrich descobriu um canal iônico no vacúolo central da célula vegetal, que é ativado por cálcio e voltagem elétrica, usando a técnica de patch-clamp (Prêmio Nobel para Neher e Sakmann 1991).
Em 2019, a equipe de Hedrich na Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) identificou esse canal TPC1 como um elemento importante para a comunicação elétrica nas plantas. Se o canal falhar, a transmissão do sinal fica mais lenta. Se estiver hiperativa, ou seja, aberta por muito tempo, a planta fica muito estressada e tem problemas de crescimento.

Essas reações deixam claro:as plantas devem controlar rigorosamente o tempo de abertura do canal iônico TPC1 para que a comunicação elétrica entre suas células ocorra sem problemas.

A estrutura explica como o canal é ativado

Uma publicação na revista PNAS agora fornece novos insights sobre a função molecular e regulação do canal TPC1. Isso foi alcançado combinando duas áreas de especialização:uma equipe da JMU liderada por Rainer Hedrich e Irene Marten foi responsável pela biofísica das plantas, e um grupo liderado por Robert M. Stroud e Sasha Dickinson da Universidade da Califórnia em San Francisco foi responsável pela biologia.

Usando imagens microscópicas crioeletrônicas de alta resolução, a equipe dos EUA demonstra claramente que ocorrem mudanças conformacionais maciças em vários domínios de proteínas antes da abertura do canal. Um estímulo elétrico inicia um movimento de rotação do domínio do sensor de voltagem. Isso afasta resíduos de aminoácidos que servem como locais de ligação para íons de cálcio inibitórios na região de entrada vacuolar do canal – abrindo caminho para o fluxo de íons.

O teor de cálcio vacuolar mantém o sensor de voltagem sob controle

A equipe de Hedrich e Marten foi capaz de mostrar que o canal TPC1 é ligado quando o nível de cálcio no plasma celular aumenta em resposta a estímulos externos. Um aumento no nível de cálcio no vacúolo, por outro lado, retarda um fluxo excessivo de íons através do canal e virtualmente torna a membrana vacuolar insensível a estímulos elétricos dependentes de cálcio.

O sítio de ligação recém-descoberto para íons de cálcio vacuolares no poro condutor de íons do canal desempenha um papel crucial nesse processo.

"Conseguimos elucidar a função desse domínio de canal com medições de patch clamp", diz Irene Marten, professora da JMU. "Quando o cálcio se liga ao local de ligação do poro vacuolar, ocorre feedback negativo com o sensor de voltagem, o que significa que o movimento do domínio do sensor de voltagem é fortemente prejudicado. Como resultado, o canal permanece fechado e não há excitação elétrica do sensor de voltagem. Se, por outro lado, os resíduos de aminoácidos dos poros são removidos da via de transporte de íons, não ocorre ligação vacuolar de cálcio e a abertura do canal é fortemente facilitada."

Pergunta sobre a evolução dos canais TPC1

A publicação em PNAS contribui ainda mais para o fato de que o canal iônico vegetal TPC1 é agora um dos canais iônicos dependentes de voltagem mais bem compreendidos. Esse conhecimento também pode ajudar a entender melhor os processos dependentes de TPC1 em células animais.

O que os cientistas farão a seguir? "Estamos investigando se os canais TPC1 de diferentes espécies de plantas diferem em termos de regulação e também em outras propriedades, e se isso abre novas possibilidades de adaptação ao meio ambiente", diz Rainer Hedrich. "Ao fazer isso, também estamos levando em consideração os reguladores que desempenham um papel nos canais TPC1 de animais. Os estudos também devem nos dar uma visão da evolução dos canais TPC1."