Os biólogos celulares da Johns Hopkins relatam o que acreditam ser a primeira criação de minúsculos aglomerados semelhantes a gelatina à base de proteínas, chamados hidrogéis, dentro das células vivas. A capacidade de criar hidrogéis sob demanda, eles dizem, deve avançar a longa luta científica para estudar as estruturas elusivas - que se formam na natureza quando proteínas ou outras moléculas se agregam sob certas condições - e para descobrir suas contribuições suspeitas para doenças humanas.

"A parte empolgante deste trabalho não é apenas o fato de termos feito hidrogéis, mas que agora estamos equipados com essa técnica poderosa que nos permite fazer perguntas fundamentais - e muito desafiadoras - sobre eles, "diz Takanari Inoue, Ph.D., um professor associado de biologia celular na Escola de Medicina da Universidade Johns Hopkins e autor sênior do relatório sobre a pesquisa publicado online em 6 de novembro na revista Materiais da Natureza .

Um hidrogel é qualquer material de gel sólido que se mantém unido por causa de fortes conexões entre suas moléculas, mas também absorve muita água. Hidrogéis artificiais são usados ​​em produtos de uso diário, como lentes de contato, fraldas descartáveis ​​e géis para cabelo, que exploram sua natureza amante da água.

Em células vivas, a maioria das estruturas flutuantes são envolvidas por membranas que as ajudam a reter sua forma no citoplasma aquoso das células. Mas quando as células sofrem estresse - qualquer coisa, desde calor até fome ou infecção - proteínas e moléculas de ácido ribonucléico (RNA) podem se agrupar em grânulos de estresse, que são livres de membranas envolventes e freqüentemente formam pequenos globos semelhantes a gel de cabelo suspensos em um tubo de água.

Alguns pesquisadores levantaram a hipótese de que o acúmulo desses hidrogéis naturais pode estar ligado a doenças neurodegenerativas, incluindo esclerose lateral amiotrófica (ALS), e que muitos ou poucos grânulos de estresse podem afetar a capacidade de funcionamento das células. Mas encontrar evidências tem sido difícil, em parte porque outros tipos de hidrogéis dentro das células podem ser partes normais da fisiologia celular.

"Esses hidrogéis não têm membranas, então é difícil isolá-los e purificá-los, "diz Inoue." Eles são tão frágeis que não podemos simplesmente coletá-los como fazemos com núcleos ou mitocôndrias, "acrescenta. Pior ainda, ele diz, quando o ambiente muda, grânulos de estresse mudam de hidrogéis para um tipo diferente de estrutura, chamadas de gotículas líquidas, da mesma forma que o gel de cabelo pode se dissolver na água se você aquecê-lo. Cientistas de todo o mundo tentaram injetar hidrogéis químicos em células vivas para estudá-los, mas geralmente as células ficam doentes, provavelmente devido à toxicidade dos produtos químicos.

Em uma tentativa de superar essas barreiras para estudar, A equipe de Inoue projetou um sistema que eles apelidaram de iPOLYMER, composto por duas proteínas de ligação, FKBP e FRB, e um produto químico imunossupressor e medicamento chamado rapamicina. Os pesquisadores já sabiam que a rapamicina poderia ser usada para mediar as interações entre FKBP e FRB.

Estudos anteriores mostraram que, sem a presença de rapamicina, FKBP e FRB existem como proteínas separadas, mas uma vez que a rapamicina é adicionada, liga-se a ambos, puxando as proteínas juntas em um complexo firme. Projetar as proteínas para que formem a estrutura física certa para os hidrogéis exigiu muitas tentativas e erros, disse Inoue.

Para criar iPOLYMER em células vivas, os pesquisadores projetaram células para conter dois tipos de cadeias de proteínas compostas por FKBPs e FRBs em tandem, e então adicionado rapamicina, que geralmente não é encontrado em células vivas. Ao observar essas células em um microscópio enquanto adicionavam rapamicina, A equipe de Inoue pôde ver os hidrogéis se formando.

"Para nosso conhecimento, esta é a primeira vez que alguém fez um hidrogel em uma célula viva desta forma, "diz Inoue.

Os cientistas agora estão modificando o sistema iPOLYMER para que os hidrogéis integrem as moléculas de RNA em suas estruturas, tornando-os uma melhor imitação dos grânulos de estresse vistos nas células humanas. Os cientistas também gostariam de criar um sistema no qual as proteínas, FKBP e FRB, formar gotículas líquidas para que possam comparar os efeitos das formas de gotículas líquidas e hidrogel das estruturas proteicas.