Gotículas de tamanho mícron fundido no sarcoma, uma proteína desordenada ligada a ALS, são visualizados através de um microscópio de fluorescência confocal. Crédito:Priya Banerjee Lab at UB
Físicos da Universidade de Buffalo estão usando ferramentas inovadoras para estudar as propriedades de uma classe bizarra de moléculas que podem desempenhar um papel na doença:proteínas que se agrupam para formar gotículas esféricas dentro das células humanas.
A pesquisa mais recente dos cientistas lança luz sobre as condições que levam essas gotículas a mudar de um fluido, estado líquido para um mais duro, estado de gel.
Publicado em 19 de fevereiro no jornal Biomoléculas como um artigo em destaque, o estudo descobriu que certas gotículas de proteína endurecem, tornando-se gelatinoso em ambientes lotados (como tubos de ensaio onde muitas outras moléculas estão presentes, mimetizando as condições congestionadas dentro das células vivas).
"Essas proteínas formadoras de gotículas são uma área de estudo relativamente nova, então sabemos muito pouco sobre suas propriedades básicas, "diz o investigador principal Priya R. Banerjee, Ph.D., professor assistente de física na UB College of Arts and Sciences. "Como físicos, queremos quantificar a dinâmica dessas gotículas e aprender quais fatores as influenciam. Isso é importante porque a dinâmica das gotículas de proteína é a chave para sua função e disfunção celular.
"Pesquisas anteriores se concentraram na estrutura das próprias proteínas, mas nosso trabalho mostra que os fatores ambientais são igualmente importantes. Vemos que as condições externas podem alterar o estado interno das gotículas, que podem afetar sua função nas células humanas. "
A pesquisa é importante porque as proteínas condensadas podem estar envolvidas na saúde e na doença. Estudos recentes apontam para papéis potenciais para essas gotículas em funções tão diversas como a expressão gênica, resposta ao estresse e função do sistema imunológico.
O novo artigo investiga uma proteína formadora de gotículas chamada fused in sarcoma (FUS). Gotículas líquidas de FUS são encontradas em células cerebrais normais, mas em alguns pacientes com a doença neurodegenerativa esclerose lateral amiotrófica (ALS), a proteína forma agregados de material sólido, Banerjee diz. Não está claro por quê.
Usando lasers para pinçar e cutucar as gotículas de proteína
A pesquisa empregou duas técnicas inovadoras para mostrar como as condições ambientais podem afetar as gotículas feitas de FUS ou outras proteínas relacionadas.
Duas gotículas de proteína se recusam a se fundir quando pressionadas (imagens de microscópio de fluorescência 1-3, mostrado sequencialmente). As gotas, feito de proteínas fundidas em sarcoma, estão em um duro, em um estado semelhante a um gel quando eles se sentam em uma solução repleta de outras moléculas. Os cientistas usaram tecnologia de pinça óptica de última geração para agarrar e manipular essas microgotas de proteína. Crédito:Priya Banerjee Lab at UB
Em um conjunto de experimentos, os cientistas usaram feixes de laser altamente focalizados - chamados de pinças ópticas - para capturar e empurrar juntas duas gotículas de proteína flutuando em uma solução tampão líquida.
As gotículas de proteína fundiram-se facilmente para formar uma única gota maior quando o tampão estava pouco povoado com outras moléculas de crowder inertes, como polietilenoglicol (PEG). Mas quando a concentração de PEG ou outros produtos químicos no tampão aumentou, as gotículas de proteína tornaram-se mais gelatinosas e não se combinaram totalmente.
Em um segundo conjunto de testes, a equipe empregou lasers de uma maneira diferente - "laser cutucando" - para estudar como o FUS e as gotículas de proteína relacionadas reagem a ambientes lotados.
Duas gotículas de proteína se fundem facilmente quando colocadas juntas (mostrado sequencialmente em imagens de microscópio de fluorescência, de cima para baixo.) As gotas, feito de proteínas fundidas em sarcoma, têm uma consistência fluida, pois ficam em uma solução esparsamente povoada por outras moléculas. Os cientistas usaram tecnologia de pinça óptica de última geração para agarrar e manipular essas microgotas de proteína. Crédito:Priya Banerjee Lab at UB
Nestes experimentos, Banerjee e colegas anexaram marcadores fluorescentes a inúmeras moléculas de proteína em uma única gota, fazendo com que as proteínas brilhem. Os pesquisadores então "cutucaram" o meio da gota com um laser de alta intensidade, um procedimento que fazia com que qualquer molécula fluorescente atingida pelo laser ficasse permanentemente escura.
Próximo, os cientistas mediram quanto tempo levou para as novas proteínas brilhantes se moverem para a área escurecida. Isso aconteceu rapidamente em gotículas de proteína flutuando em soluções tampão pouco povoadas. Mas o tempo de recuperação foi dramaticamente mais lento para gotículas suspensas em soluções tampão espessas com PEG ou outros compostos - uma indicação, Mais uma vez, que as gotículas de proteína se tornam gelatinosas em ambientes lotados. As descobertas se aplicam tanto ao FUS quanto a outras gotículas de proteínas relacionadas com diversas estruturas primárias.
"Nossos experimentos foram feitos em tubos de ensaio, mas nossos resultados sugerem que dentro das células vivas, o status de aglomeração pode afetar a dinâmica das gotículas de proteína, "Banerjee diz.
Uma questão importante que permanece é se e como a fluidez das gotículas de FUS afeta a capacidade da proteína de se formar em aglomerados sólidos, como visto em alguns pacientes com ELA. Banerjee espera resolver esse problema por meio de pesquisas futuras.
