A sede de uma célula eucariótica é o núcleo, e a maioria das informações e instruções da célula são armazenadas lá na forma de DNA (ácido desoxirribonucléico). O DNA, que é torcido, enrolado e empacotado em uma corrente de dois metros de comprimento, junto com moléculas de proteína, compõe a fibra de cromatina que fica dentro do núcleo. Por anos, os cientistas estavam curiosos para saber como esses componentes são organizados. Como é possível que as proteínas necessárias nas reações bioquímicas se movam com eficiência dentro do núcleo cheio de DNA? Estudos recentes finalmente resolveram o mistério. As descobertas que o descrevem em detalhes foram publicadas no Journal of Physical Chemistry Letters em 21 de dezembro, 2020.

Moléculas em um núcleo lotado

O núcleo de cada célula esconde uma cadeia de dois metros de uma molécula mais incrível e única:o DNA. Junto com histonas e várias proteínas relacionadas, O DNA constrói uma estrutura de cromatina preenchida com um fluido viscoso que exibe uma excelente diversidade de composição molecular. Por décadas, a mobilidade das moléculas no núcleo não foi suficientemente explorada, mas desenvolvimentos recentes alteraram esse status quo. Graças à pesquisa aprofundada de um grupo de pesquisadores do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências (IPC PAS) liderado pelo professor Robert Hołyst, a mobilidade das moléculas em escalas de comprimento de um a dezenas de nanômetros no núcleo é apresentada em detalhes.

Uma superloja Molecular

Devido ao seu pequeno tamanho, pode-se supor que o núcleo tem uma estrutura simples e uma distribuição aleatória de moléculas. Isso não é de forma alguma o caso. O núcleo tem um layout incrivelmente complexo e bem ajustado. O DNA não se parece com um emaranhado bagunçado de espaguete; ele é eficientemente embalado em estruturas compactas. Até mesmo a viscosidade em nanoescala do núcleo determina a mobilidade dos objetos individuais em seu interior. Para visualizar melhor o quão bem organizado é tudo isso, o núcleo pode ser descrito como uma superloja. As fibras de cromatina funcionam como prateleiras, segurando uma variedade de informações genéticas necessárias (ou seja, DNA) assim como as prateleiras das lojas estão cheias de produtos. Essas prateleiras não ocupam todo o espaço, em vez disso, eles estão separados por uma distância semelhante a um corredor que funciona como um canal. As pessoas que cruzam os corredores em padrões específicos enquanto fazem compras podem ser comparadas às moléculas de proteína que se movem um tanto aleatoriamente dentro dos canais do núcleo de acordo com as regras do movimento browniano. Não importa o quão lotado o corredor fique, as pessoas sempre encontram uma maneira de passar umas pelas outras, mantendo alguma distância enquanto caminham. As moléculas que cruzam os canais moleculares fazem o mesmo sem problemas de tráfego. Isso permite que cada molécula viaje com eficiência, mantendo a ordem de uma superloja.

Impacto de viscosidade

As moléculas que estão presentes nas células eucarióticas têm tamanhos diferentes. Por exemplo, íons são subnanômetros em tamanho, os raios das proteínas são normalmente de poucos nanômetros; o raio de um nucleossomo é de cerca de 5,5 nm, enquanto as fibras de cromatina dobradas têm um raio de cerca de 15 nm. Além disso, loops condensados ​​de cromatina formam estruturas compactas de nível superior ostentando um raio de cerca de 150 nm. Para entender sua mobilidade dentro do núcleo, A equipe do professor Hołyst propôs colocar objetos de tamanho nanométrico cobrindo todo o espectro de escalas de comprimento de componentes naturais encontrados no núcleo. Polímeros, proteínas, e nanopartículas com raios de 1,3 a 86 nm foram consideradas.

Para ver esta organização intrigante em nível de nanoescala, a mobilidade de moléculas específicas foi estudada usando técnicas não invasivas, como espectroscopia de correlação de fluorescência (FCS) e espectroscopia de correlação de imagem raster (RICS). Graças a substâncias como a GFP (proteína fluorescente verde) ou as nanopartículas à base de rodamina em concentração nanomolar, era possível observar a mobilidade de moléculas particulares e determinar a viscosidade do nucleoplasma sem causar qualquer interrupção na atividade celular. Essas técnicas permitem que os cientistas investiguem até mesmo as mudanças menores em nível molecular. A mobilidade de grandes nanopartículas foi reduzida em até 6 vezes em comparação com a difusão em meio aquoso.

Contudo, a difusão típica de moléculas de tamanho de proteína foi reduzida apenas 2-3 vezes. A mobilidade diminui drasticamente quando o raio dos objetos injetados é maior que 20, mais significância nas estimativas do coeficiente de difusão, é possível olhar mais de perto o movimento e a interação de moléculas que acontecem entre objetos particulares nos canais do núcleo e dentro da estrutura compactada dentro do núcleo. Essas medições expandem nossa compreensão atual da estrutura do núcleo. Ter um bom entendimento da complexidade dos canais dentro dos núcleos é crucial, pois contribui diretamente para o nosso conhecimento de como grandes biostruturas, talvez incluindo a medicina do futuro próximo, são transportados dentro da célula.

O primeiro autor, dr. Grzegorz Bubak comenta, "Nossos experimentos revelaram que o núcleo da célula eucariótica é percolado por canais intercromossômicos de 150 nm de largura preenchidos com a solução aquosa de proteína diluída de baixa viscosidade."

Os estudos que quantificam o aglomerado dentro dos núcleos das células revelam que a maioria das moléculas pode passar livremente por essa estrutura complexa. Com base em experimentos apoiados em modelos teóricos, foi possível estimar a largura dos canais (~ 150 nm) entre a estrutura da cromatina. Os canais dos núcleos podem constituir até 34% do volume do núcleo, que gira em torno de 240 fL. Se eles fossem mais estreitos, as fibras da cromatina seriam mais dispersas, tornando o movimento interno eficiente das moléculas impossível. É fascinante que o núcleo possa conter quantidades tão grandes de DNA e outros elementos químicos sem perturbar a migração das moléculas. Tudo isso graças às fibras de cromatina bem organizadas feitas pelo DNA com proteínas estruturais que dão forma à dupla hélice. A mobilidade de determinados elementos químicos através do fluido biológico em canais moleculares é essencial em muitos processos, como a criação de moléculas específicas e a formação de novas estruturas complexas de proteínas.

"Esses resultados podem ser de grande importância no desenvolvimento de drogas biológicas, como proteínas terapêuticas, enzimas, e anticorpos monoclonais, que podem ter raios hidrodinâmicos maiores do que drogas químicas convencionais baseadas em compostos sintéticos, "conclui o dr. Bubak

Como resultado desses estudos, a mobilidade das moléculas nos canais nucleares é agora descrita em detalhes e bem compreendida pela primeira vez. Graças à pesquisa apresentada neste trabalho, agora sabemos como as fibras da cromatina governam a organização das moléculas, revelando a intrigante maquinaria molecular escondida nas profundezas do núcleo. Estamos agora um passo mais perto de desenvolver agentes terapêuticos que podem ser efetivamente transportados para o núcleo.