Pela primeira vez, pesquisadores observaram as bombas de íons que ativam o transporte celular e os sistemas de sinal. Isso garante o funcionamento dos mecanismos biomoleculares.

Cada bomba de cálcio mede apenas alguns nanômetros em cada direção, e reside nas membranas celulares. Mas, apesar de seu tamanho diminuto, é crucial para a vida. Esta bomba é a razão pela qual nossos músculos podem se contrair, e que os neurônios podem enviar sinais. Se a pequena bomba parasse de funcionar, as células parariam de se comunicar. É por isso que as células usam tanto de sua energia - cerca de um quarto do combustível do corpo, conhecido como ATP - para manter as bombas funcionando.

Há muitas coisas que ainda não sabemos sobre a estrutura e função dessa bomba vital. O conhecimento sobre a bomba é essencial para compreender o equilíbrio energético e outras funções importantes do corpo.

Um grupo de pesquisa dinamarquês acaba de publicar um novo estudo que, pela primeira vez, mostra como a bomba funciona ao nível de uma única molécula, e como ele garante que os íons sejam bombeados na direção certa. Em outras palavras, como a bomba funciona como uma rua de mão única molecular. A descoberta acaba de ser publicada na prestigiosa revista. Natureza .

"Este trabalho representa a próxima etapa de uma busca profunda e importante para entender a estrutura e função atômica da bomba. Agora estamos um passo mais perto de entender como as bombas de íons garantem as funções das células. Caracterizamos como ela bombeia íons para fora a célula em um nível de detalhe sem precedentes. A importância de tal conhecimento básico dos processos biofísicos só pode ser subestimada. Ele terá uma grande influência em nossa compreensão dos processos da vida e, em tempo, no tratamento de doenças, "diz o professor Poul Nissen. O professor Nissen é um dos maiores especialistas do mundo nesta família de bombas e co-autor do artigo.

O backstop molecular

Até certo ponto, a história começou na década de 1950, quando o professor Jens Christian Skou fez seu trabalho pioneiro na Universidade Aarhus, que descobriu as funções de bombeamento em nossas células. A bomba de cálcio é uma prima próxima da bomba de sódio-potássio em que Skou trabalhou, e eles usam um mecanismo de bombeamento semelhante. O trabalho de Skou rendeu-lhe o Prêmio Nobel de Química em 1997. Desde então, numerosos pesquisadores estudaram o mecanismo e a função dessas bombas, incluindo muitos no Centro de Bombas de Membrana em Células e Doenças - PUMPkin - na Universidade de Aarhus.

Um insight importante na nova publicação diz respeito à natureza unilateral do transporte de íons. Anteriormente, presumiu-se que a natureza unilateral da bomba surgiu na clivagem da molécula rica em energia ATP. A hipótese era que quando o ATP foi clivado, a bomba não poderia retroceder e reformar o ATP. Isso acabou por ser incorreto.

“Identificamos um novo estado fechado no ciclo de bombeamento, no qual a bomba só pode entrar se o íon de cálcio vier dos fluidos intracelulares e a bomba tiver clivado ATP. Ele não pode atingir esse estado se o íon vier das redondezas da célula. Quando o cálcio é liberado deste estado, é o 'ponto sem volta'. Esse é o mecanismo que explica que a bomba funciona como uma bomba e não apenas como um canal passivo. Essa visão realmente única é baseada em experimentos altamente avançados. Esses experimentos nos permitem ver diretamente a bomba fazendo seu trabalho pela primeira vez, "diz o pós-doutorado Mateusz Dyla, o primeiro autor do novo artigo.

A bomba de cálcio precisa de energia, que obtém da clivagem de uma molécula de ATP. A energia liberada é convertida em trabalho da bomba. Isso explica como grandes gradientes de concentração se acumulam entre o interior e o exterior da célula. A diferença de concentração pode ser superior a 10, 000 vezes, e essa grande diferença é essencial para a comunicação entre as células, como na sinalização nervosa.

Fumaça e espelhos

A razão pela qual os experimentos são tão complexos é bastante clara. A bomba é tão pequena que não pode ser visualizada diretamente em um microscópio óptico. Até aqui, e com grande dificuldade, pesquisadores criaram modelos moleculares de estados estáveis ​​da bomba usando uma técnica conhecida como cristalografia de raios-X. Isso é análogo a um filme stop-motion. Os cientistas se referem, em tom de brincadeira, à visualização do movimento da bomba entre esses estados como 'Ficção da bomba'. O novo estudo, que está há cinco anos em construção, move a visualização de stop motion para imagens ao vivo dos movimentos funcionais da bomba. O aprimoramento técnico das técnicas microscópicas permitiu observar o novo estado.

A técnica é conhecida como espectroscopia de fluorescência de molécula única, e usa um fenômeno conhecido como transferência de energia de ressonância de Förster, em suma FRET. Aqui, luz laser intensa e câmeras ultrassensíveis são combinadas para permitir a observação direta de uma única molécula através da pequena quantidade de luz que cada molécula emite.

O grupo de pesquisa aproveitou uma bomba de cálcio da bactéria Listeria, que foi preparado para os estudos através da engenharia de proteínas. A engenharia da proteína sozinha levou vários anos para ser concluída.

Nos experimentos FRET, duas moléculas de corante são ligadas à proteína, que é então iluminado por luz laser. Uma tintura, o doador, absorve a luz do laser e a emite com uma cor característica, ou, alternativamente, transfere a energia para o outro corante, o aceitador. Isso então emitirá luz com outra cor. A luz será, portanto, emitida a partir dos dois corantes, e os cientistas podem medir a distância entre os dois corantes medindo quanta luz é emitida de cada cor. Como os corantes foram cuidadosamente inseridos em duas posições específicas na bomba, essas mudanças de distância rastreiam os movimentos de bombeamento da bomba.

A técnica de molécula única possibilitou as novas descobertas, conforme explicado pelo companheiro Magnus Kjærgaard, Instituto de Estudos Avançados de Aarhus (AIAS), que também contribuiu para a descoberta.

"Mudamos de 'Pump Fiction' para 'Pump Live'. Anteriormente, sempre gravamos os sinais de muitas moléculas ao mesmo tempo, que embaça os movimentos. Usando técnicas de FRET de molécula única, podemos nos concentrar em uma molécula de cada vez, o que nos permite observar as mudanças estruturais diretamente. Isso nos fornece um vídeo da bomba em ação com menos lacunas. Nosso filme Pump Fiction inicialmente recebeu esse nome porque sabíamos que as transições entre os diferentes estados do ciclo eram fictícias, e que pode haver percepções adicionais escondidas nas lacunas entre os estados conhecidos. Agora demonstramos isso em abundância, e, ao mesmo tempo, revelou novos insights críticos sobre como a bomba funciona, " ele diz.

Além de agregar ao nosso conhecimento dos processos básicos da vida, a compreensão dessas bombas também pode ter aplicações práticas. Mutações nas bombas podem causar defeitos nas células cerebrais, e isso pode causar distúrbios neurológicos, como enxaqueca, paralisia temporária ou distúrbios neurodegenerativos.

Os mecanismos dessas bombas de íons são, portanto, essenciais para a compreensão dos erros na bomba, especialmente com vistas ao desenvolvimento de novos medicamentos direcionados à bomba.

"Ainda não alcançamos o estágio em que podemos transferir nossa pesquisa de bomba de íons para o tratamento de doenças. No entanto, os novos insights levaram a ideias que podem ser usadas para desenvolver o tratamento de defeitos na sinalização neuronal, por exemplo. Mas isso é trabalho para o futuro. Agora mesmo, há todos os motivos para celebrar a revelação dos detalhes íntimos de uma das enzimas mais importantes da vida. O trabalho se baseou em grandes colaborações aqui na universidade, e com pesquisadores nos EUA. Já iniciamos novas colaborações empolgantes que nos permitirão dar os próximos passos, "diz o professor Poul Nissen.