Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI conseguiram pela primeira vez registrar uma bomba de sódio movida a luz de células bacterianas em ação. As descobertas prometem progresso no desenvolvimento de novos métodos em neurobiologia. Os pesquisadores usaram o novo laser de elétrons livres de raios-X SwissFEL para suas investigações. Eles publicaram suas descobertas hoje no jornal Natureza .

O sódio desempenha um papel essencial nos processos vitais da maioria das células biológicas. Muitas células criam um gradiente de concentração entre seu interior e o ambiente. Para este propósito, bombas especiais na membrana celular transportam sódio para fora da célula. Com a ajuda de tal gradiente de concentração, células do intestino delgado ou dos rins, por exemplo, absorver certos açúcares.

Essas bombas de sódio também são encontradas nas membranas das bactérias. Eles pertencem à família das chamadas rodopsinas. Estas são proteínas especiais que são ativadas pela luz. Por exemplo, as rodopsinas transportam sódio para fora da célula no caso de bactérias que vivem no oceano, como Krokinobacter eikastus. O componente crucial da rodopsina é a chamada retina, uma forma de vitamina A. É de importância central para os humanos, animais, certas algas e muitas bactérias. Na retina do olho humano, por exemplo, retinal inicia o processo visual quando muda de forma sob a influência da luz.

Produção de filmes ultrarrápida

Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI conseguiram agora capturar imagens da bomba de sódio de Krokinobacter eikastus em ação e documentar as mudanças moleculares necessárias para o transporte de sódio. Para fazer isso, eles usaram uma técnica chamada cristalografia serial de femtosegundo. Um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo; um milissegundo é a milésima parte. A amostra a ser examinada - neste caso, uma bomba de sódio cristalizado - é atingida primeiro por um laser e depois por um feixe de raios-X. No caso da rodopsina bacteriana, o laser ativa a retina, e o feixe de raios-X subsequente fornece dados sobre mudanças estruturais em toda a molécula de proteína. Uma vez que SwissFEL produz 100 desses pulsos de raios-X de femtossegundo por segundo, as gravações podem ser feitas com alta resolução temporal. "Só podemos alcançar a resolução temporal na faixa do femtossegundo no PSI com a ajuda do SwissFEL, "diz Christopher Milne, que ajudou a desenvolver a estação experimental de Alvra onde foram feitas as gravações. "Um dos desafios é injetar os cristais na configuração para que eles atendam aos pulsos do laser e do feixe de raios-X com extrema precisão."

Bomba em ação

No experimento atual, os intervalos de tempo entre os pulsos de laser e raios-X foram entre 800 femtossegundos e 20 milissegundos. Cada pulso de raio-X cria uma única imagem de um cristal de proteína. E assim como um filme de cinema consiste basicamente em um grande número de fotografias individuais que são agrupadas em uma série e reproduzidas rapidamente, as fotos individuais obtidas com a ajuda de SwissFEL podem ser reunidas para formar uma espécie de filme.

"O processo que pudemos observar em nosso experimento, e que corresponde aproximadamente ao transporte de um íon de sódio através de uma membrana celular, leva um total de 20 milissegundos, "explica Jörg Standfuss, que chefia o grupo de cristalografia resolvida no tempo na Divisão de Biologia e Química do PSI. “Além de elucidar o processo de transporte, também pudemos mostrar como a bomba de sódio atinge sua especificidade para o sódio por meio de pequenas mudanças em sua estrutura. "Isso garante que apenas os íons de sódio, e nenhum outro íon carregado positivamente, são transportados. Com essas investigações, os pesquisadores também revelaram as mudanças moleculares por meio das quais a bomba impede que os íons de sódio que foram transportados para fora da célula fluam de volta para ela.

Avanços em optogenética e neurobiologia

Uma vez que as diferenças de concentração de sódio também desempenham um papel especial na forma como as células nervosas conduzem os estímulos, os neurônios têm bombas de sódio poderosas em suas membranas. Se mais sódio flui para o interior da célula, um estímulo é transmitido. Essas bombas então transportam o excesso de sódio da célula para o exterior novamente.

Como a bomba de sódio da Krokinobacter eikastus é movida pela luz, os pesquisadores agora podem usá-lo para a chamada optogenética. Com esta tecnologia, células, neste caso, células nervosas, são geneticamente modificados de tal forma que podem ser controlados pela luz. A bomba é instalada em células nervosas usando métodos de genética molecular. Se for ativado pela luz, um neurônio não pode mais transmitir estímulos, por exemplo, uma vez que isso exigiria um aumento na concentração de sódio na célula nervosa. Contudo, a rodopsina bacteriana impede isso, transportando continuamente o sódio para fora da célula. Assim, as bombas ativas de sódio tornam um neurônio inativo.

“Se entendermos exatamente o que está acontecendo na bomba de sódio da bactéria, pode ajudar a melhorar os experimentos em optogenética, "diz Petr Skopintsev, um Ph.D. candidato no grupo de cristalografia resolvida no tempo. "Por exemplo, ele pode ser usado para identificar variantes da rodopsina bacteriana que funcionam de forma mais eficaz do que a forma geralmente encontrada em Krokinobacter. "Além disso, os pesquisadores esperam obter insights sobre como as mutações individuais podem alterar as bombas de íons para que transportem outros íons além do sódio.