Engenheiros da Washington University em St. Louis e da Princeton University desenvolveram uma nova maneira de mergulhar nos menores e mais importantes componentes da célula. O que eles encontraram dentro de organelas sem membranas os surpreendeu, e pode levar a uma melhor compreensão de doenças fatais, incluindo câncer, Huntington e ALS. Crédito:Washington University em St. Louis
Dentro de cada célula viva, existem estruturas minúsculas chamadas organelas sem membranas. Essas minúsculas usinas de energia usam a química para indicar o funcionamento interno de uma célula - movimento, divisão e até autodestruição.
Uma colaboração entre engenheiros da Universidade de Princeton e da Universidade de Washington em St. Louis desenvolveu uma nova maneira de observar o funcionamento interno e a estrutura material dessas organelas de vital importância. A pesquisa, publicado hoje em Química da Natureza , pode levar a uma série de novas aplicações científicas, bem como uma melhor compreensão de doenças como o câncer, Huntington e ALS.
"Eles são como pequenas gotas de água:eles fluem, eles têm todas as propriedades de um líquido, semelhante a gotas de chuva, "disse Rohit Pappu, o Edwin H. Murty Professor de Engenharia da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Washington University. "Contudo, essas gotículas são compostas por proteínas que se unem a moléculas de RNA (ribonucléicas). "
No passado, perscrutar organelas tem se mostrado difícil, devido ao seu tamanho minúsculo. Clifford Brangwynne, professor associado de engenharia química e biológica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Princeton, e seus colaboradores, desenvolveu uma nova técnica - chamada espectroscopia de correlação de fluorescência de varredura ultrarrápida ou usFCS - para obter uma avaliação de perto das concentrações internas e sondar a porosidade de fac-símiles de organelas sem membrana. A abordagem usa ondas sonoras para controlar a capacidade de um microscópio de se mover e, em seguida, obter medições sem calibração de concentrações dentro de organelas sem membranas.
Em sua pesquisa, Brangwynne e sua equipe, incluindo os pesquisadores de pós-doutorado Ming-Tzo Wei e Shana Elbaum-Garfinkle, células usadas retiradas de uma lombriga. Com usFCS, eles foram capazes de medir as concentrações de proteínas dentro de organelas formadas pela proteína específica, LAF-1. Esta proteína é responsável pela produção de p-grânulos, que são conjuntos de proteínas responsáveis pela polarização de uma célula antes da divisão. Assim que os pesquisadores de Princeton conseguiram espiar claramente as organelas e visualizar o LAF-1, o que eles encontraram os surpreendeu.
"Descobrimos que, em vez de serem gotículas densamente compactadas, estes são de densidade muito baixa, estruturas permeáveis, "Brangwynne disse." Não era o resultado esperado.
Pela primeira vez, engenheiros da Universidade de Washington em St. Louis e da Universidade de Princeton conseguiram dar uma boa olhada dentro de organelas sem membranas, componentes minúsculos dentro de uma célula. Esta ilustração mostra a viscosidade diferente encontrada neles; uma descoberta que poderia trazer novos avanços de laboratório e compreensão da doença para o primeiro plano. Crédito:(Cortesia:Washington University em St. Louis)
Foi quando Pappu, da Universidade de Washington, e seu assistente de pesquisa graduado Alex Holehouse tentaram entender as descobertas surpreendentes do grupo de Princeton. O laboratório de Pappu é especializado em física de polímeros e modelagem de organelas sem membranas.
"Conseguimos basicamente nadar dentro das organelas para determinar quanto espaço está realmente disponível. Enquanto esperávamos ver uma piscina lotada, encontramos um com bastante espaço, e água. Estamos começando a perceber que essas gotas não serão todas iguais, "Pappu disse.
No caso das organelas LAF-1, os pesquisadores descobriram que a formação de gotículas ultra-diluídas deriva de informações codificadas nas regiões intrinsecamente desordenadas dessas sequências de proteínas. As características dessa sequência garantem que esta proteína seja uma molécula altamente flexível, um pouco como espaguete cozido, faltando a capacidade de se dobrar em um específico, estrutura bem definida. Em contraste, em outras organelas formadas por diferentes proteínas, as propriedades do material são mais parecidas com as da pasta de dente ou do ketchup. Brangwynne e Pappu continuam a colaborar para descobrir como diferentes sequências de proteínas codificam a capacidade de formar gotículas com propriedades materiais muito diferentes. Este trabalho tem implicações diretas para a compreensão das funções biológicas de organelas sem membranas e para a compreensão de como as alterações nessas propriedades materiais dão origem a doenças como neurodegeneração ou câncer.
"Há uma explosão de aplicações de engenharia e transformações para a biologia celular mecanística que estão no horizonte. Esses avanços serão acessíveis à medida que aprendermos mais sobre a base dessas organelas e como sua sequência de aminoácidos determina as propriedades e funções do material, "Pappu disse." Essas organelas estão fazendo coisas notáveis dentro das células, e uma pergunta realmente interessante é:como podemos imitá-los? "
Pappu disse um dia, os pesquisadores poderiam hackear os princípios de design das organelas para modelar tudo, desde laboratórios de química intracelular a minúsculos veículos de entrega de drogas e agentes de imagem. Além das aplicações práticas, também há implicações potenciais para a compreensão e o diagnóstico de uma série de doenças.
“É fundamental saber como se pode regular as funções dessas gotículas, "Pappu disse." Se tivermos sucesso, o impacto pode ser transformador:não é apenas câncer, é neurodegeneração, sobre transtornos de desenvolvimento, e até mesmo os fundamentos da biologia celular. "
