Linguagem molecular rica orienta a formação de minúsculas gotículas de líquido nas células
Um instantâneo de uma gota de proteína (imagem central) cercada por várias interações de aminoácidos (mostradas ao redor da gota) estabilizando a gota de líquido rico em proteínas. Crédito:Texas A&M Engineering Observar uma célula biológica revela um mundo microscópico movimentado. Os burros de carga neste reino são estruturas especializadas chamadas organelas que desempenham funções celulares vitais. Curiosamente, algumas organelas desafiam as convenções aceitas:em vez de estarem encerradas dentro de uma membrana protetora, elas não têm membranas e assumem a forma de gotículas líquidas isoladas. As regras que regem a formação dessas gotículas, um processo denominado “separação de fases líquido-líquido”, é uma área de pesquisa nova e muito procurada.
Uma equipe de cientistas da Texas A&M Engineering, da Universidade de Delaware e da Universidade Rutgers descobriu que os aminoácidos (resíduos) que compõem as proteínas dentro das gotículas interagem de muito mais maneiras do que é atualmente reconhecido. Eles mostram que essas interações facilitam a montagem de proteínas e, eventualmente, a separação da fase líquido-líquido em gotículas.
Os pesquisadores publicaram suas descobertas na revista Nature Chemistry .
Seu trabalho é um passo para ampliar a compreensão da biologia celular, desenvolvendo tratamentos para doenças que envolvem agregados proteicos patológicos, como Alzheimer e Parkinson, e criando novos materiais macios de bioengenharia.
A recente descoberta de gotículas líquidas dentro de células vivas foi feita pela primeira vez nas células germinativas de um verme que vive no solo, Caenorhabditis elegans (C. elegans). Dentro do embrião do verme, estruturas sem membrana chamadas grânulos de P desempenham funções reprodutivas essenciais. Quando investigados mais detalhadamente, os investigadores descobriram que os grânulos de P não tinham membranas e podiam pingar, juntar-se ou dissolver-se, tendo características semelhantes às dos líquidos. Além disso, estes grânulos de P poderiam manter a sua integridade dentro do citoplasma gelatinoso, tal como as gotículas de óleo na água.
"Houve uma mudança fundamental em 2009 no pensamento sobre a compartimentalização celular em termos do surgimento de estruturas semelhantes a gotículas", disse o Dr. Jeetain Mittal, professor do Departamento de Engenharia Química Artie McFerrin e autor sênior. "A maioria dos biólogos começou a aceitar que a separação de fases não é a exceção, mas a regra com a qual as células biológicas compartimentam unidades funcionais diferentes das organelas ligadas à membrana."
Mas como é que apenas proteínas específicas que circulam no citoplasma ao lado de milhões de outras se reúnem em gotículas funcionais? As evidências indicam que proteínas intrinsecamente desordenadas ou aquelas sem uma estrutura tridimensional ordenada podem ser essenciais na separação de fases. No entanto, as interações entre proteínas desordenadas que orquestram a separação de fases ainda não foram totalmente delineadas.
"Ainda não temos uma ideia muito clara de quais aminoácidos nas regiões desordenadas fornecem a força motriz para a separação de fases", disse Shiv Rekhi, estudante de graduação no laboratório de Mittal e autor principal. “Queríamos ir além das regras estabelecidas, ainda mostrar a separação de fases e depois quantificar como cada aminoácido contribuiu para o processo”.
Para a pesquisa, a equipe utilizou uma proteína sintética desordenada com sequências de aminoácidos que lembram proteínas naturais. Os pesquisadores então criaram variantes de proteínas removendo ou adicionando um tipo específico de aminoácido e avaliaram se ainda ocorria condensação em gotículas. Com seus colaboradores, eles realizaram experimentos de microscopia e turbidez para avaliar a natureza física da gota enriquecida com proteínas. Finalmente, usando simulações em grande escala, Rekhi explorou como as interações atômicas entre os aminoácidos na sequência da proteína se traduziam na formação de gotículas líquidas observadas experimentalmente.
"Uma visão predominante é que a tirosina e/ou arginina são necessárias para a separação de fases. Testamos isso diretamente, produzindo variantes de proteínas onde removemos esses resíduos, e ainda obtivemos a separação de fases", disse Rekhi. "Este e muitos outros experimentos nos disseram que a separação de fases pode ocorrer sem muitos resíduos que as pessoas consideram necessários."
Os pesquisadores descobriram que todas as 12 variantes de proteínas, exceto uma, apresentavam separação de fases, ressaltando a presença de múltiplas interações entre os resíduos de aminoácidos que constituem a proteína desordenada.
"Por um tempo, as pessoas da área presumiram que um conjunto limitado de regras pode descrever a formação de gotículas. Mostramos que tudo na sequência da proteína é importante", disse Mittal. "Nosso artigo estabelece que a linguagem molecular da separação de fases é muito mais rica e complexa."
Outros colaboradores da pesquisa incluem Cristobal Garcia Garcia e Dra. Kristi L. Kiick, da Universidade de Delaware; Mayur Barai e Dr. Benjamin Schuster da Rutgers, Universidade Estadual de Nova Jersey.
