Os glicanos são essenciais para praticamente todos os processos biológicos do corpo. Essas estruturas complexas - compostas por moléculas de açúcar interligadas - adornam as superfícies das células em profusão difusa. Os glicanos são uma parte crucial da identidade de uma célula, ajudando-o a se comunicar com outras células e com o ambiente externo. Os glicanos também são conhecidos por desempenhar um papel vital no câncer, doenças auto-imunes e inúmeras outras aflições.

Apesar de sua onipresença e importância, glycans permanecem entre os jogadores biológicos mais enigmáticos.

Agora, pesquisadores do Instituto de Biodesign da Universidade do Estado do Arizona se juntam a um grupo de pesquisa internacional para investigar os mistérios mais profundos da estrutura e função do glicano. Para fazer isso, eles montaram uma biblioteca das enzimas necessárias para criar, modificar e degradar glicanos. Usando esta biblioteca, o grupo foi capaz de expressar essas enzimas em dois tipos de hospedeiros celulares - mamífero e inseto.

"É claro que essas estruturas elaboradas de açúcar desempenham papéis críticos na saúde e na doença, "diz Joshua LaBaer, diretor do Biodesign Institute e Virginia G. Piper Center for Personalized Diagnostics.

Ele prossegue, dizendo que a ciência ainda tem muito pouco conhecimento da atividade do glicano, porque ao contrário de outros processos em biologia, eles não são montados com base em um modelo. Em vez de, eles são produzidos por uma interação complexa de uma grande família de enzimas que adicionam e removem açúcares específicos, dependendo de onde ocorrem os diferentes membros da família e de outros fatores. "Pela primeira vez, construímos e montamos cópias clonadas de todas as enzimas desta família, criando um kit de ferramentas inestimável que os pesquisadores serão capazes de usar para construir e testar essas estruturas, "Labaer diz.

Resultados do novo estudo, que aparecem na edição atual da revista Nature Chemical Biology , têm um impacto potencialmente amplo em áreas que vão desde novos diagnósticos e terapêuticas para doenças, a outros avanços na saúde, ciência dos materiais e energia.

A vida é doce

"Estudar estruturas de glicano em sistemas de células animais tem sido historicamente um grande desafio, especialmente em termos de tecnologia, "diz Kelley Moremen, da Universidade da Geórgia, autor principal do novo estudo. "Para entender como essas moléculas são feitas e reguladas em termos de função na superfície celular, é importante entender a maquinaria enzimática que os torna, os modifica e os divide. "

Uma das quatro classes principais de macromoléculas que constituem os sistemas vivos, (junto com os ácidos nucléicos, proteínas e lipídios), os glicanos são essenciais para a estrutura e função celular. Eles desempenham papéis essenciais na sinalização celular, imunidade, e inflamação.

Por exemplo, glicanos nas superfícies das células são essenciais para o reconhecimento molecular, guiando os glóbulos brancos através do corpo para os locais de infecção, permitindo que o sistema imunológico responda quando necessário. Essa dinâmica é claramente vista durante os estágios iniciais da infecção da gripe, onde a partícula do vírus influenza se liga a uma célula hospedeira humana, reconhecendo e ligando-se a glicanos de superfície celular.

O sistema imunológico responde a essas ameaças, aprendendo a reconhecer a cobertura de glicano de açúcar dos vírus, bactérias e outros invasores, montagem de mecanismos de defesa inatos e adaptativos.

Várias formas de açúcar são essenciais para a vida. Glicose, um dos mais importantes, é um metabólito primário que fornece energia ao cérebro. Também exemplifica a natureza de dois gumes dos açúcares complexos, visto que sua desregulação é um fator de risco central para o desenvolvimento de doenças cardiovasculares. Diabetes, por exemplo, resulta do controle inadequado da glicose por mecanismos metabólicos normais. Altas concentrações de glicose podem causar sérios danos aos órgãos, enquanto baixas concentrações podem levar à perda de consciência e morte súbita devido à energia inadequada.

Em outro lugar, as paredes das células vegetais são compostas principalmente de glicanos e são responsáveis ​​pela fonte dominante de sequestro biológico de carbono no planeta, ou biomassa. Eles representam uma fonte sustentável amplamente inexplorada de energia baseada em combustíveis não fósseis.

Até agora, no entanto, os glicanos não têm recebido o mesmo nível de atenção científica que os ácidos nucléicos ou proteínas, e muito sobre sua sutil gama de funções permanece envolta em mistério. A razão é que a variedade estonteante de estruturas de glicano tem, até recentemente, foi notoriamente difícil de estudar.

Genes para proteínas

Muito do mecanismo da vida é bem compreendido, pelo menos em linhas gerais. Diferentes arranjos dos 4 ácidos nucleicos no DNA formam genes que são primeiro transcritos em RNA, então traduzido em proteínas, de acordo com um regime estrito.

Os glicanos são diferentes. Eles não são produzidos a partir de modelos como RNA e proteínas, mas ao invés, são montados na hora, conforme necessário, de acordo com fatores complexos do ambiente, incluindo o metabolismo celular, tipo de célula, Estágio de desenvolvimento, disponibilidade de nutrientes e muitos outros sinais. Células especializadas como nervos, as células da pele ou dos músculos têm seu próprio complemento único de glicanos e as células doentes geralmente exibem anormalidades características nos glicanos que as adornam. Para produzir essa riqueza de diversidade de glicano, um grande número de enzimas especializadas são acionadas.

Os glicanos normalmente se ligam a locais específicos nas proteínas, modulando sua atividade biológica por meio do reconhecimento molecular ou afetando seu tempo de circulação na corrente sanguínea. A glicosilação - a adição de moléculas de glicano - é um dos mecanismos regulatórios mais importantes que afetam as proteínas depois que elas já foram traduzidas do RNA. Essas modificações pós-tradução permitem um número bastante modesto de genes humanos - apenas 25, 000 ou mais - para gerar a complexidade e diversidade surpreendentes observadas em humanos e entre as populações humanas.

Esta nova visão das proteínas como entidades altamente dinâmicas revolucionou a biologia moderna, embora tenha aprofundado significativamente as complexidades enfrentadas pelos pesquisadores. O modelo arrumado de 1 gene gerando 1 sequência de RNA produzindo uma única proteína de estrutura e função conhecidas deu lugar a um mundo de modificação sutil e dinâmica de proteínas, tendo profundas implicações para a saúde e as doenças humanas. O estudo de gycans formados de forma anormal, por exemplo, é agora uma importante nova avenida de pesquisa do câncer.

Desenhar com Açucar

Mas como são feitos os glicanos? O processo começa quando açúcares simples nos alimentos - conhecidos como monossacarídeos - são consumidos. Esses monossacarídeos viajam para dois compartimentos subcelulares chave, conhecidos como complexo de Golgi e retículo endoplasmático. Essas organelas ligadas à membrana atuam como fábricas para a montagem gradual de blocos de construção de monossacarídeos em complexos, ramificação de estruturas de glicano.

Os glicanos são então ligados a proteínas ou lipídios e entregues à membrana plasmática, revestir as superfícies das células com essas moléculas de açúcar. Estima-se que 70 por cento das proteínas da superfície celular são glicosiladas e os pesquisadores ainda estão tentando estabelecer a função de todas essas glicosilações.

As aplicações de tal pesquisa podem incluir técnicas baseadas em glicano para a detecção precoce de câncer e outras doenças, e o desenvolvimento de futuras vacinas e medicamentos contra doenças infecciosas com base em uma melhor compreensão das interações patógeno-hospedeiro e da resposta imune. A criação de novos produtos ou combustíveis compostos de matérias-primas de carboidratos também pode surgir de avanços na glicobiologia.

Acesso à biblioteca

No estudo atual, os pesquisadores produziram com sucesso toda a gama de enzimas formadoras e modificadoras de glicano responsáveis ​​pela produção de mais de 7.000 estruturas de glicano de vertebrados. Para conseguir isso, o estudo tentou simplificar o processo, produção de versões simplificadas de enzimas capazes de expressão eficaz em células hospedeiras.

"Com a ajuda de Jason (Steele) e Josh (LaBaer), criamos uma estratégia de design para capturar essas regiões de codificação e colocá-las em um vetor de retenção, "Moremen diz." Então, fomos capazes de inseri-los em células de insetos ou mamíferos e testar sua capacidade de se expressarem nesses sistemas. "

Este é um avanço importante. Esforços anteriores para produzir e expressar glicoenzimas em células bacterianas mais simples, como a de E. coli, em grande parte fracassaram. Para gerenciar o feito em células eucarióticas mais complexas, como os de insetos e mamíferos, modificação considerável dos genes codificadores de enzimas foi necessária antes de sua inserção em vetores especializados conhecidos como cassetes. Esses cassetes de codificação de glicoenzima foram então inseridos em células de insetos e mamíferos, onde eles foram expressos.

O grupo produziu uma lista abrangente de 339 glicoenzimas responsáveis ​​pela formação, modificação e degradação de glicanos, direcionar estes para a expressão de proteínas. Embora os resultados tenham sido bem-sucedidos, expressão de alto nível de glicoenzimas em células de insetos e mamíferos, os autores observam diferenças distintas em níveis de expressão específicos em cada um dos dois sistemas de modelo.

The resulting comprehensive library of glycoenzymes provides a vital resource for future advances in glycobiology and is available to researchers worldwide through DNASU.

An enhanced appreciation of glycan structure and function, explored with the aid of the new enzyme library, will help to advance a number of exciting domains of research, including genomics, proteomics, chemical synthesis, Ciência de materiais, e engenharia.