Uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia realizou o primeiro exame direto em nanoescala de uma membrana de célula viva. Ao fazer isso, também resolveu um antigo debate ao identificar minúsculos agrupamentos de moléculas de lipídios que provavelmente são essenciais para o funcionamento da célula.

Os métodos desenvolvidos fornecem uma nova plataforma experimental para estudos biofísicos de membranas e, potencialmente, outros componentes da célula. Pode ser útil para pesquisas futuras sobre interações importantes, como droga-membrana, membrana de biocombustível, e até mesmo interações antibiótico-membrana.

O projeto multidisciplinar - liderado pelo biofísico John Katsaras, químico Bob Standaert e microbiologista James Elkins — foi realizado no laboratório de High Flux Isotope Reactor e Spallation Neutron Source usando a bactéria Bacillus subtilis . A equipe publicou suas descobertas no jornal PLoS Biology .

A membrana de uma célula é uma fina camada dupla de moléculas de lipídios, entre as quais residem outras biomoléculas, como proteínas. Os pesquisadores não têm certeza se os lipídios da membrana às vezes se organizam em grupos chamados domínios, também conhecido como "jangadas, "ou se eles estão distribuídos aleatoriamente na membrana. Acredita-se que a organização de lipídios em domínios distintos dentro da membrana celular possibilite funções como a sinalização entre as células.

"Tornou-se um debate, "Katsaras disse." Algumas pessoas acreditaram que eles existem, enquanto outros acreditavam que não. Havia muitas evidências circunstanciais que poderiam apoiar qualquer um dos lados. "

O problema era que as técnicas existentes não eram capazes de resolver inequivocamente essa questão.

A análise de espalhamento de nêutrons foi a chave para o sucesso do projeto. Os domínios lipídicos são muito pequenos para serem vistos por microscópios ópticos que usam luz para sondar amostras como células biológicas. Contudo, nêutrons não têm essa limitação e podem ser usados ​​para fornecer uma visão em nanoescala de uma célula. Além disso, ao contrário de outras ferramentas em nanoescala, nêutrons podem ser usados ​​para examinar uma célula viva sem danificá-la.

Enquanto a análise de espalhamento de nêutrons superou as limitações das outras tecnologias, ele apresentou alguns desafios assustadores. O primeiro foi desenvolver um experimento em que nêutrons se espalharam por moléculas de lipídios na membrana sem interagir com outros componentes da célula, como proteínas, RNA, DNA e carboidratos. O próximo desafio era distinguir um tipo de molécula de lipídio de outro.

A solução para esses dois desafios está no uso de deutério, um isótopo de hidrogênio cujo núcleo contém um nêutron e também um próton. Por contraste, núcleos de hidrogênio comuns contêm um próton, mas nenhum nêutron. Embora a própria célula biológica perceba pouca diferença entre o hidrogênio normal e o deutério, os dois isótopos parecem muito diferentes quando observados usando o espalhamento de nêutrons.

A equipe ORNL criou uma cepa da bactéria contendo deutério suficiente para tornar as estruturas celulares essencialmente invisíveis aos nêutrons. Eles então asseguraram que as moléculas de lipídios dentro da membrana eram compostas inteiramente de dois ácidos graxos contendo proporções específicas de deutério e hidrogênio.

Posteriormente, eles introduziram os dois tipos de ácidos graxos com diferentes proporções de isótopos. A membrana celular estava livre para criar e incorporar em sua membrana moléculas de lipídios a partir deles, com cada tipo de lipídio, então, contendo uma mistura específica dos dois isótopos. Se os lipídios foram distribuídos aleatoriamente por toda a membrana, então a membrana pareceria uniforme quando exposta a nêutrons, semelhante a um fundo ótico que era cinza médio.

Se, Contudo, os lipídios reunidos com outros de seu tipo, o fundo deixaria de ser uniforme e mostraria o equivalente a áreas cinza mais claras e mais escuras. Isso é de fato o que a equipe encontrou. As manchas cinzentas detectadas usando nêutrons medem menos de 40 nanômetros de diâmetro. A própria membrana tinha cerca de 2,4 nanômetros de espessura.

Os pesquisadores do ORNL enfatizaram que sua abordagem de criar contraste interno dentro de células vivas usando isótopos era promissora para outras pesquisas também, abrindo a técnica de deuteração direcionada para outras técnicas físicas (por exemplo, espectroscopia de ressonância magnética nuclear).

"As pessoas que estudam essas coisas tendem a usar determinados tipos de sondas, "Katsaras observou." Eles não usaram o espalhamento de nêutrons porque não estava na casa do leme do biólogo. Nossa nova abordagem experimental abre novas áreas de pesquisa.

"Por exemplo, você poderia usar a bactéria modificada como uma plataforma para investigar antibióticos, porque muitos desses antibióticos realmente estão falando com a membrana. "