A maioria das pessoas não pensa muito sobre zinco. Mas todos os seres vivos precisam de zinco para sobreviver. Este oligoelemento ajuda muitas proteínas a se dobrarem nas formas certas para fazerem seu trabalho. E em proteínas conhecidas como enzimas, o zinco ajuda a catalisar reações químicas – incluindo muitas importantes para fornecer energia às células. Se o zinco estiver ausente, pessoas, animais de estimação e plantas não prosperam.
Essa é uma das razões pelas quais os biólogos do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA estão tão interessados ​​nesse elemento.

"Estamos procurando maneiras de cultivar plantas de bioenergia - plantas que produzem biocombustíveis ou cuja biomassa pode ser convertida em combustível - e fazê-lo em terras que não são adequadas para o cultivo de alimentos", disse o biólogo do Brookhaven Lab, Crysten Blaby, que também tem uma nomeação adjunta na Stony Brook University. “Então, estamos interessados ​​nas estratégias que a natureza usa para sobreviver quando o zinco e outros micronutrientes estão em falta”.

Em um artigo recém publicado na revista Cell Reports, Blaby e seus colegas descrevem uma dessas estratégias:uma proteína chamada "chaperone" que fornece zinco para onde é necessário, o que pode ser especialmente importante quando o acesso ao zinco é limitado. Embora os cientistas, incluindo Blaby, há muito suspeitem da existência de uma chaperona de zinco, a nova pesquisa fornece a primeira evidência definitiva ao identificar um "destino" para suas entregas.

Por meio de uma série de ensaios bioquímicos e experimentos genéticos, a equipe identificou uma proteína dependente de zinco que não pode funcionar adequadamente sem o acompanhante. Essa proteína, chamada MAP1, existe em todas as espécies – de leveduras e camundongos a plantas e pessoas. Isso significa que as descobertas têm relevância não apenas para as plantas, mas também para a saúde em humanos, onde a deficiência de zinco leva a deficiências de crescimento e desenvolvimento.

"Nossos objetivos estão na sustentabilidade das culturas bioenergéticas, mas como as proteínas que estamos estudando são encontradas em quase todos os lugares, nossa pesquisa tem aplicações muito amplas", disse Blaby.

Rastreando uma descoberta

Outros metais traço, como níquel e cobre, são transportados pelas células por acompanhantes porque podem ser tóxicos. Os acompanhantes impedem que os metais reativos se envolvam em "associações indesejadas". As reações entre alguns metais-traço e o oxigênio geram radicais livres que danificam as células. Mas o zinco não parece ter propensão para ligações tão perigosas.

"O zinco é um íon metálico relativamente inofensivo. Uma vez que não reage com o oxigênio para criar espécies reativas de oxigênio, pensamos que talvez ele apenas se difunde para chegar onde precisa ir sem a necessidade de um acompanhante", disse Blaby. Mas isso não impediu os cientistas de procurar um.

Quando Blaby era estudante de pós-graduação na Universidade da Flórida no início dos anos 2000, ela trabalhou com a professora Valérie de Crécy-Lagard, que primeiro previu que membros de uma família de proteínas chamada CobW eram as chaperonas de zinco ausentes. "Minha pesquisa como parte desse grupo forneceu evidências de que, se existe, provavelmente era uma proteína dessa família. Mas para provar que funciona como uma chaperona de zinco, precisávamos identificar o destino - a proteína para a qual estava fornecendo zinco, "Blaby disse.

Muitos grupos trabalharam nesse desafio por anos, mas ainda não conseguiram encontrar e provar o alvo do suposto acompanhante.

A mineração de dados revela pistas

Avançando para quando Blaby começou a construir seu grupo de pesquisa em Brookhaven em 2016. Enquanto minerava dados sobre interações entre proteínas que haviam sido depositadas em bancos de dados pesquisáveis ​​na última década, ela encontrou evidências de uma interação entre uma proteína na suposta família de chaperonas de zinco e uma proteína chamada metionina aminopeptidase, ou MAP1. E ela encontrou a interação tanto em leveduras quanto em humanos.

"Sempre que você vê uma interação de proteína conservada como essa, em organismos muito diferentes, geralmente significa que é importante", disse Blaby.

MAP1, ao que parece, modifica muitas proteínas na célula – em quase todas as espécies. Se o MAP1 não estiver funcionando, as proteínas não modificadas terão problemas. E o MAP1 depende do zinco para funcionar.

"As peças estavam começando a se encaixar", disse Blaby. "Então a verdadeira diversão começou - que era testar nossa hipótese muito específica:que essa proteína que chamamos de ZNG1 (pronuncia-se zing 1) é a acompanhante que fornece zinco ao MAP1."

Blaby trabalhou com os pós-doutorandos de Brookhaven, Miriam Pasquini e Nicolas Grosjean, que projetaram e conduziram uma série de experimentos para resolver o caso. Os dois compartilham a primeira autoria no papel.

"Esta foi uma grande equipe para reunir para fazer tanto o in vivo e iin vitro trabalho necessário para finalmente fornecer evidências experimentais para a função dessas proteínas", disse Blaby.

A prova está no frasco

Primeiro, usando células de levedura de crescimento rápido, Grosjean eliminou o gene que diz às células como produzir ZNG1. Se esta proteína é a chaperona que fornece zinco ao MAP1, então o MAP1 não deve funcionar adequadamente nas células nocaute.

E quando falta zinco no ambiente, o defeito na função MAP1 deve piorar.

"Quando muitas proteínas estão competindo por zinco limitado, é uma situação em que, se houver um acompanhante, pode ajudar a escolher qual das muitas proteínas dependentes de zinco deve obter esse recurso precioso", explicou Grosjean. Em outras palavras, quando o zinco é limitado, a ausência do acompanhante deve ser mais sentida.

Os resultados saíram conforme o esperado:células sem o gene para ZNG1 tinham defeitos na atividade de MAP1, e o nível de defeito aumentou no ambiente com baixo teor de zinco.

Em seguida, Pasquini liderou um projeto para purificar as duas proteínas – ZNG1 e MAP1 – isoladamente. Primeiro, ela mostrou que quando não há zinco presente, como esperado, o MAP1 por si só não funciona.

Então ela misturou MAP1 com ZNG1 que havia sido carregado com zinco. Mas, novamente, não houve atividade MAP1. Os cientistas raciocinaram que algo mais deve estar faltando.

Por meio de uma série de experimentos, eles demonstraram que o ZNG1 precisa ser ativado para entregar sua carga de zinco. Essa ativação vem de uma molécula de energia conhecida como GTP.

"O que achamos que acontece é que a chaperona se liga ao GTP e tem uma certa conformação ou forma", disse Pasquini. "Quando ele libera a energia do GTP, ele muda de forma. Achamos que a mudança conformacional pode ser importante para a ligação e liberação do zinco".

Quando Pasquini adicionou GTP à mistura de ZNG1 e MAP1 carregados de zinco, ela finalmente observou a atividade de MAP1.

"É só depois de adicionar a molécula de energia que você vê evidências de que o zinco está sendo transferido para o MAP1", disse ela.

Juntos, esses experimentos forneceram a evidência de que a proteína há muito suspeita agora conhecida como ZNG1 opera como acompanhante para fornecer zinco ao MAP1.

Implicações de maior escala

A equipe também colaborou com cientistas do Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação de usuários do Escritório de Ciências do DOE no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, em experimentos de "proteômica" em maior escala. E eles trabalharam com Estella Yee no National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) do Brookhaven Lab, outra instalação do usuário do DOE Office of Science, em estudos de modelagem computacional para entender o complexo proteico que se forma entre a chaperona de zinco e MAP1.

"Nosso in vivo e in vitro experimentos estavam olhando apenas para alguns jogadores. O que a proteômica nos permitiu fazer foi ver como a exclusão do gene da transferase de zinco afeta todos as proteínas - e estude o impacto que esses jogadores têm no resto da célula e do organismo", disse Blaby.

Um dos principais impactos é que as células não conseguem mais se adaptar a baixos níveis de zinco.

"As células evoluíram de modo que, quando as concentrações de zinco ficam muito baixas, um grupo de genes é ativado para responder a essa mudança de circunstâncias. Mas quando você se livra do ZNG1, muitos desses genes permanecem desligados", disse Blaby.

"Estamos agora construindo sobre este trabalho fundamental concluído no organismo modelo de levedura de rápido crescimento para entender como essas proteínas e suas funções são conservadas em culturas de bioenergia", disse Blaby. "Este trabalho lança luz sobre uma estratégia anteriormente desconhecida que as plantas usam para prosperar quando o zinco é limitante no solo. Compreender essas estratégias pode nos ajudar a criar maneiras de otimizar a produtividade das culturas e alcançar uma bioenergia ambientalmente sustentável".

Pasquini acrescentou:"A possibilidade de as plantas adquirirem resiliência em solos com baixo teor de zinco também significa que seríamos capazes de explorar terras não aráveis ​​para o cultivo de bioenergia, deixando solos férteis dedicados a outros fins agrícolas. Empurrando as células vegetais para produzir mais ZNG1 concebivelmente permitiria um crescimento superior em terras marginais empobrecidas em zinco." + Explorar mais

Estudo identifica o primeiro 'chaperone' celular para zinco