Cientistas do The Scripps Research Institute (TSRI) resolveram um mistério celular que pode ter implicações importantes para a biologia fundamental e doenças como ALS. Sua nova pesquisa sugere que o RNA pode ser o ingrediente secreto que ajuda as células a se montar, organizar arquitetura interna, e, por fim, dissolver compartimentos semelhantes a gotículas dinâmicas.

Essas estruturas semelhantes a gotículas são comumente conhecidas como organelas sem membranas, e são essenciais para a forma como as células compartimentam sua bioquímica e regulam processos como a expressão gênica e a resposta ao estresse.

Por 200 anos, os cientistas sabem da existência de organelas sem membranas nas células e se perguntam como elas são reguladas. Estudos recentes sugeriram que o aumento da fração de RNA pode levar à formação de gotículas de proteína-RNA por um processo denominado separação de fase líquido-líquido.

"É basicamente o mesmo tipo de fenômeno de imiscibilidade que leva o óleo a formar gotículas na água, "disse o professor associado da TSRI, Ashok Deniz, que co-liderou o estudo publicado recentemente na revista Angewandte Chemie como um documento muito importante (VIP). "Embora várias forças biomoleculares fracas resultem coletivamente na formação de gotículas de proteína-RNA, focamos em um tipo particular neste estudo:interações eletrostáticas conduzidas por biomoléculas de carga oposta. Uma descoberta importante foi que um maior aumento na concentração de RNA pode dissolver essas gotículas, trazendo de volta uma fase líquida homogênea. "

A velocidade com que essas gotículas se formam e se dissolvem pode ser a chave para a sobrevivência celular. "As gotículas podem se formar e se dissolver conforme a necessidade, que permite que as células se adaptem muito rapidamente ao estresse celular, "disse a Pesquisadora Associada Priya Banerjee, que co-liderou o estudo e atuou como co-primeiro autor com os alunos de graduação Anthony N. Milin e Mahdi Muhammad Moosa do TSRI.

O novo estudo sugere que a carga negativa das moléculas de RNA é a chave para a criação e dissolução de gotículas. "O RNA é como um agente duplo, "disse Banerjee.

Como as gotículas se formam e desaparecem

O RNA tem uma carga geral negativa. Quando inicialmente entra em contato com proteínas carregadas positivamente, as moléculas de carga oposta se atraem. Juntos, eles criam uma montagem molecular e formam gotículas líquidas. Essas gotículas permitem que as células desempenhem funções importantes.

Os pesquisadores também descobriram que as gotículas se dissolvem rapidamente quando se aumenta o RNA no sistema.

"Adicionar mais RNA a este sistema interrompe o equilíbrio delicado entre as cargas negativas e positivas, levando à formação de conjuntos com carga negativa que agora se repelem, dissolvendo assim a gota, "disse o co-autor do estudo Paulo L. Onuchic, um estudante de graduação no Laboratório Deniz.

Esta descoberta única lança luz sobre um caminho regulatório inesperado. A pesquisa também desafia a concepção anterior de que as forças biomoleculares que criam as gotículas devem ser revertidas para dissolvê-las. Em vez de reverter o processo - por meio da remoção do RNA ou da modificação pós-tradução da proteína para destruir sua carga positiva - os pesquisadores descobriram que o sistema pode simplesmente adicionar mais RNA para dissolver uma gota.

"O comportamento semelhante a uma janela de formação de gotículas em função da concentração de RNA observada aqui exibe uma rota unidirecional que pode ser explorada por células usando processos como a transcrição, "disse Banerjee.

Em outros experimentos, a equipe demonstrou que a síntese de RNA por máquinas celulares de fato forma e dissolve essas gotículas.

Criação de gotículas "ocas"

O fato de que o RNA pode dissolver gotículas deu aos pesquisadores uma chance única de controlar a adição de RNA e observar o processo de dissolução. "Para nossa surpresa, em vez de um simples processo de dissolução de gotículas, observamos esferas ocas se formando dentro de gotículas. Dando um passo para trás, você vê que adicionando mais RNA, estamos criando gotículas de baixa densidade dentro de gotículas de alta densidade, "disse Deniz.

Deniz comparou esse fenômeno a um cubo de gelo derretendo por dentro. Interessantemente, essas gotículas internas, chamados vacúolos, assemelham-se às complexas subestruturas internas que são tipicamente observadas em várias organelas celulares semelhantes a gotículas.

"A chave para a criação de vacúolos é esta transição unidirecional de um líquido homogêneo inicial para duas fases líquidas imiscíveis e de volta para uma fase homogênea apenas aumentando a fração de RNA, "adicionou Banerjee.

A equipe passou a testar se essas descobertas se aplicariam a uma proteína-chave encontrada em grânulos de estresse, importantes organelas em "gotículas" que protegem as células durante o estresse. Eles investigaram uma proteína de ligação a RNA chamada FUS, que tem sido implicado em ALS.

"Com FUS, descobrimos que o RNA pode formar e dissolver gotículas da mesma maneira que o sistema modelo mais simples. Notavelmente, As gotículas de FUS também exibiram subestruturas internas complexas, que abre caminho para determinar o papel biológico desses vacúolos, "disse Milin.

Embora esta pesquisa ainda esteja em seus estágios iniciais, os pesquisadores acreditam que as mutações no FUS podem interferir na dinâmica normal das gotículas em alguns pacientes com ELA, possivelmente impedindo suas células de lidar adequadamente com o estresse celular.

O trabalho abre uma série de caminhos para pesquisas futuras em biologia celular e doenças, incluindo estudos quantitativos deste tipo específico de transição de fase em outros sistemas biológicos, compreender os determinantes moleculares em proteínas e RNA que controlam a dinâmica das gotículas, e estudos adicionais de padronização complexa de gotículas.