Simulação de supercomputador revela novo mecanismo para fusão de membranas
A imagem mostra como as proteínas SNARE (na cor salmão) iniciam a fusão de duas membranas facilitando o encontro de suas caudas repelentes de água (amarela e verde) na interface cheia de água entre as membranas (ilustrada pelas caudas mostradas como esferas). Crédito:UT Southwestern Medical Center Uma intrincada simulação realizada por pesquisadores do UT Southwestern Medical Center usando um dos supercomputadores mais poderosos do mundo lança uma nova luz sobre como proteínas chamadas SNAREs causam a fusão das membranas biológicas.
Suas descobertas, publicadas no Proceedings of the National Academy of Sciences , sugerem um novo mecanismo para esse processo onipresente e pode eventualmente levar a novos tratamentos para condições nas quais se acredita que a fusão da membrana dá errado.
"Os livros didáticos de biologia dizem que os SNAREs unem as membranas para causar a fusão, e muitas pessoas ficaram felizes com essa explicação. Mas eu não, porque as membranas colocadas em contato normalmente não se fundem. Nossa simulação vai mais fundo para mostrar como esse importante processo ocorre, " disse o líder do estudo Jose Rizo-Rey ("Josep Rizo"), Ph.D., professor de Biofísica, Bioquímica e Farmacologia na UT Southwestern.
A fusão da membrana é essencial para a vida. Um exemplo por excelência acontece nos neurônios, células que formam a base do sistema nervoso e constituem a maior parte do cérebro, da medula espinhal e dos nervos periféricos. Essas células se comunicam entre si liberando substâncias químicas chamadas neurotransmissores de vesículas que devem se fundir com a membrana celular do neurônio de origem por dentro para que os neurotransmissores sejam liberados e reconhecidos por outros neurônios.
Todas as membranas celulares dos eucariotos – organismos cujas células têm um núcleo ligado à membrana – são constituídas por uma dupla camada de fosfolípidos, moléculas que têm uma cabeça que interage com a água e uma cauda que a repele. As cabeças dessas moléculas formam os revestimentos interno e externo das membranas, e as caudas ficam imprensadas entre eles. As membranas da bicamada fosfolipídica circundam as células eucarióticas, seus núcleos, muitas de suas organelas e algumas outras características, como sacos cheios de líquido chamados vesículas que transportam carga dentro e entre as células.
Por volta de 1990, os pesquisadores descobriram que os SNAREs – abreviação de receptores de proteína de ligação ao fator sensível à N-etilmaleimida solúveis – desempenham um papel fundamental na fusão da membrana. O entendimento predominante é que essas proteínas formam um complexo que funciona como um zíper, colocando as membranas em contato próximo e levando-as à fusão. No entanto, explicou o Dr. Rizo-Rey, estudos ao longo dos anos sugeriram que essa teoria tinha lacunas significativas. Por exemplo, SNAREs mutantes que ainda colocavam as membranas em contato não causaram sua fusão.
Para compreender melhor o papel dos SNAREs na fusão de membranas, o Dr. Rizo-Rey e seus colegas tentaram uma abordagem diferente. Contando com o Frontera – um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, localizado no Texas Advanced Computing Center da Universidade do Texas em Austin – a equipe executou uma simulação de dinâmica molecular de todos os átomos de uma vesícula se fundindo com uma bicamada lipídica que imita as membranas das células neuronais.
Este tipo de simulação utiliza algoritmos para prever como todas as moléculas de um sistema específico interagem com base nas propriedades dos átomos envolvidos – cerca de 5,3 milhões de átomos neste caso, o que requer um enorme poder de computação para ser rastreado.
Esta simulação mostrou que, em vez de apenas unir as membranas biológicas, o complexo SNARE induz os fosfolípidos na membrana celular e nas vesículas a virarem-se, misturando as suas caudas repelentes de água. Essa ação faz com que as membranas se fundam e posteriormente formem um poro que expele o conteúdo da vesícula para fora da célula.
Dr. Rizo-Rey advertiu que mais pesquisas são necessárias para confirmar que este mecanismo ocorre nas células. No entanto, disse ele, as descobertas da simulação fazem muito sentido do ponto de vista físico-químico e combinam bem com as de vários outros estudos de fusão celular ao longo dos anos.
Embora não haja implicações imediatas relacionadas à saúde para esta descoberta, acrescentou ele, os pesquisadores poderão eventualmente ser capazes de usar essas descobertas para criar novas terapias para uma variedade de doenças neurológicas, como a doença de Alzheimer, a doença de Parkinson, a esquizofrenia e a epilepsia, condições em que alguns tratamentos existentes já se concentram em promover ou inibir a liberação de neurotransmissores.
Diabetes, doenças cardíacas, hipertensão, câncer e infecções virais também dependem muito da fusão da membrana e poderiam eventualmente ser tratados intervindo nesse processo, disse o Dr. Rizo-Rey.
