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Um método avançado baseado em imagens de cientistas da Scripps Research oferece uma nova maneira de estudar as mitocôndrias, que são mais conhecidas como as “potências” das células.
Em seu relatório de 14 de fevereiro de 2023, no Revista de Biologia Celularos cientistas descreveram um conjunto de técnicas que permitem a imagem e a quantificação de mudanças estruturais sutis dentro das mitocôndrias e a correlação dessas mudanças com outros processos em andamento nas células.
As mitocôndrias estão envolvidas não apenas na produção de energia, mas também em várias outras funções celulares críticas, incluindo a divisão celular e as respostas de preservação celular a vários tipos de estresse. Disfunções mitocondriais foram observadas em uma série de doenças, incluindo Alzheimer, doença de Parkinson e diferentes tipos de câncer, e os pesquisadores estão ansiosos para desenvolver tratamentos que possam reverter essas disfunções. Mas as ferramentas científicas para estudar os detalhes da estrutura das mitocôndrias são limitadas.
“Agora temos um novo kit de ferramentas poderoso para detectar e quantificar diferenças estruturais e, portanto, funcionais nas mitocôndrias – por exemplo, em estados doentes versus saudáveis”, diz a autora sênior do estudo Danielle Grotjahn, PhD, professora assistente no Departamento de Integração Estrutural e Biologia Computacional na Scripps Research.
Os co-primeiros autores do estudo foram os membros do laboratório Grotjahn Benjamin Barad, PhD, pesquisador associado de pós-doutorado, e Michaela Medina, candidata a PhD.
As mitocôndrias são uma das muitas máquinas moleculares ligadas à membrana, ou “organelas”, que habitam dentro das células de plantas e animais. Tipicamente numeradas de centenas a milhares por célula, as mitocôndrias têm seus próprios genomas pequenos e uma estrutura distinta com uma membrana externa e uma membrana interna ondulada onde ocorrem as principais reações bioquímicas. Os cientistas sabem que a aparência das estruturas mitocondriais pode mudar drasticamente, dependendo do que a mitocôndria está fazendo ou de quais tensões estão presentes na célula. Essas mudanças estruturais, portanto, podem ser marcadores altamente úteis das condições celulares, embora até agora não houvesse um bom método para detectá-las e quantificá-las.
No estudo, a equipe de Grotjahn montou um kit de ferramentas computacionais para processar dados de imagem de uma técnica de microscopia chamada tomografia crio-eletrônica (cryo-ET) – que essencialmente mostra amostras biológicas em três dimensões, usando elétrons em vez de luz. O “kit de ferramentas de morfometria de superfície” dos pesquisadores, como eles chamam, permite o mapeamento detalhado e a medição dos elementos estruturais das mitocôndrias individuais. Isso inclui as dobras da membrana interna e as lacunas entre as membranas – todos marcadores potencialmente úteis de importantes eventos mitocondriais e celulares.
“Isso nos permite essencialmente transformar as belas imagens 3-D das mitocôndrias que podemos obter da crio-ET em medições quantitativas sensíveis – que podemos usar para ajudar a identificar os mecanismos detalhados de doenças, por exemplo”, diz Barad.
A equipe demonstrou o kit de ferramentas usando-o para mapear detalhes estruturais nas mitocôndrias quando suas células são submetidas ao estresse do retículo endoplasmático – um tipo de estresse celular que é visto frequentemente em doenças neurodegenerativas. Eles observaram que as principais características estruturais, como a curvatura da membrana interna ou a distância mínima entre as membranas interna e externa, mudavam de forma mensurável sob esse estresse.
Com suas demonstrações bem-sucedidas e comprovadas do novo kit de ferramentas, o laboratório Grotjahn agora o usará para estudar com mais detalhes como as mitocôndrias respondem a estresses celulares ou outras alterações induzidas por doenças, toxinas, infecções e até produtos farmacêuticos.
“Podemos comparar os efeitos nas mitocôndrias em células tratadas com uma droga versus os efeitos nas mitocôndrias não tratadas, por exemplo”, diz Medina. “E essa abordagem não se limita às mitocôndrias – também podemos usá-la para estudar outras organelas dentro das células”.
“Quantificando ultraestrutura organelar em tomografia crioeletrônica usando um pipeline morfométrico de superfície”, foi co-autoria de Benjamin Barad, Michaela Medina, Daniel Fuentes, Luke Wiseman e Danielle Grotjahn, todos da Scripps Research.
A pesquisa foi financiada em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01NS095892, RF1NS125674) e pela American Cancer Society.
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