Cada uma de nossas células é cercada por uma membrana complexa que funciona como uma fronteira biológica, deixando íons e nutrientes, como sal, potássio e açúcar entrando e saindo. Os protetores são proteínas de membrana, que fazem o trabalho árduo de permitir ou bloquear o tráfego dessas moléculas.

Cordas de moléculas de água ligadas, chamados fios de água, desempenham um papel importante neste processo que foi pensado para ser bem compreendido. Agora, uma equipe do National High Magnetic Field Laboratory (MagLab), sediada na Florida State University, está alterando suposições de décadas sobre como elas realmente interagem com as proteínas.

Seu artigo foi publicado hoje no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Embora os cientistas soubessem que os fios de água desempenhavam um papel na condução de nutrientes através da membrana celular, eles subestimaram enormemente suas interações com o canal de membrana. Essa descoberta tem ramificações generalizadas, pesquisadores disseram, questionando os modelos existentes de como a água se comporta dentro de outras proteínas.

"É aí que as coisas ficam realmente interessantes do ponto de vista biológico, "disse o autor correspondente Tim Cross, diretor da instalação de ressonância magnética nuclear (NMR) baseada em Tallahassee no National MagLab e o professor de química Robert O. Lawton. "Agora entendemos que essas interações entre a água e os átomos de oxigênio da proteína que revestem os poros serão muito mais fortes do que qualquer um poderia imaginar. E isso vai influenciar o funcionamento dessas proteínas."

O trabalho também é importante, Cross adicionado, porque mostra como um único, ímã de recorde mundial, conhecido como Series Connected Hybrid (SCH), está dando aos cientistas acesso a novos detalhes sobre proteínas e outros sistemas biológicos.

Seu estudo se concentrou na gramicidina A, um peptídeo antibiótico (ou pequena proteína) que tem a forma de uma hélice. Duas dessas moléculas empilhadas uma sobre a outra criam um canal estreito em algumas membranas celulares, através do qual os íons podem entrar e sair. Um fio de água de oito moléculas que mede o comprimento do canal atua como uma espécie de lubrificante neste processo. Os hidrogênios nessas moléculas de água se ligam a alguns dos átomos de oxigênio na gramicidina que os circunda. As orientações das moléculas do fio de água foram pensadas para mudar extremamente rapidamente, ligação e desligamento com átomos de oxigênio na gramicidina A muitas vezes por nanossegundo.

Contudo, quando a equipe do MagLab deu uma olhada mais de perto neste sistema, eles descobriram algo que pôs em questão aquela visão predominante. A primeira pista deles surgiu há cerca de dois anos, quando Joana Paulino, em seguida, um pesquisador de pós-doutorado no MagLab trabalhando com Cross, colocou um pouco de gramicidina A especialmente tratada no SCH e realizou alguns experimentos de RMN.

Os cientistas usam máquinas de RMN para entender melhor a estrutura e a função de moléculas complexas como proteínas e vírus. Eles podem ajustar a máquina para identificar, por exemplo, todos os átomos de sódio em uma amostra e suas orientações vis-à-vis outros átomos. Cada átomo envia um sinal revelador de volta à máquina.

Mas alguns átomos são mais fáceis de detectar por NMR do que outros. Oxigênio, por exemplo, é muito difícil de ver. Então, até recentemente, um dos átomos mais biologicamente ativos do corpo era quase invisível para a RMN. Devido em parte a um poderoso ímã que gera um campo de 36 teslas (uma unidade de força do campo magnético), o SCH pode "ver" o oxigênio.

As amostras específicas de gramicidina que Paulino estava examinando já haviam sido estudadas em profundidade anos antes em outro poderoso ímã de RMN no MagLab. Cross estabeleceu sua carreira com seu trabalho sobre gramicidina, conhecido por ser uma estrutura perfeitamente simétrica:A última coisa que ele esperava era uma surpresa.

A amostra de gramicidina era composta de dois idênticos, empilhado, moléculas helicoidais. Paulino examinou exatamente o mesmo átomo de oxigênio em ambos, esperando que o SCH mais sensível detectasse um sinal mais claro desses dois átomos do que o observado anteriormente.

Mas ela não viu apenas um sinal de oxigênio:ela viu dois.

À primeira vista, os resultados pareciam sugerir algo errado com o modelo de uma gramicidina A perfeitamente simétrica - o modelo que conquistou Cross seu mandato. Sua reação imediata às medições de Paulino foi, "Nós vamos, isso deve estar errado. "

Seu próximo pensamento:"Ou, isso pode ser algo muito interessante. "

Experimentos repetidos mostraram que o primeiro resultado de Paulino estava de fato correto - mas não porque as moléculas fossem assimétricas. Em vez, o SCH era tão sensível que detectou um sinal de um oxigênio gramicidina que estava ligado ao fio de água, e um sinal separado de um oxigênio gramicidina que não estava ligado ao fio.

A equipe passou anos conduzindo mais experimentos para ter certeza de que entendiam o que estavam vendo.

"Cada vez que executávamos uma amostra de gramicidina rotulada em um local de oxigênio diferente e víamos dois picos, nós dançamos um pouco, "disse Paulino, autor principal do artigo e agora um pós-doutorado em bioquímica e biofísica na Universidade da Califórnia em San Francisco.

O fato de que o SCH foi capaz de detectar o sinal do oxigênio ligado, os pesquisadores determinaram, significava que as interações entre o fio de água e a parede dos poros da gramacidina A eram muito mais fortes e duradouras - mais de um milhão de vezes, na verdade, do que os cientistas acreditaram.

"As energias associadas ao processo são claramente diferentes do que foi imaginado, "Cross disse." Então, precisamos voltar agora e dar uma olhada na energética e como esses fios de água realmente funcionam. "

As descobertas são relevantes para muitos outros tipos de proteínas que apresentam fios de água em suas membranas celulares.

"A emoção agora é realmente começar a pensar em todos esses outros fios de água em proteínas que conduzem íons que são essenciais para a vida, "Cross disse, "e entender como isso vai influenciar essas interações e taxas de condutância."

É provável que as descobertas causem certo desconforto científico porque contradizem os modelos computacionais da dinâmica molecular dos fios d'água que foram aceitos por décadas, Cross disse.

"Os cientistas têm uma compreensão muito boa de muitas coisas, "Cross explicou." Mas de vez em quando, algo surge do nada e nos força a repensar as coisas. Não há nada lá fora que poderia sugerir que havia um problema com aqueles estudos computacionais - até isso. "