Revelando mecanismo desconhecido essencial para a divisão celular bacteriana

Um mecanismo até então desconhecido de auto-organização da matéria ativa essencial para a divisão celular bacteriana segue o lema “morrer para alinhar”: filamentos desalinhados “morrem” espontaneamente para formar uma estrutura de anel no centro da célula em divisão. O estudo, liderado pelo grupo Šarić no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), foi publicado em Física da Natureza. O trabalho pode encontrar aplicações no desenvolvimento de materiais sintéticos auto-reparadores.

Como a matéria, sem vida por definição, se auto-organiza e nos torna vivos? Uma das marcas registradas da vida, a auto-organização, é a formação e a quebra espontâneas de matéria biológica ativa. No entanto, enquanto as moléculas entram e saem constantemente da vida, pode-se perguntar como elas “sabem” onde, quando e como se reunir, e quando parar e se desfazer.

Pesquisadores em torno da Professora Anđela Šarić e do aluno de doutorado Christian Vanhille Campos no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) abordam essas questões no contexto da divisão celular bacteriana. Eles desenvolveram um modelo computacional para a montagem de uma proteína chamada FtsZ, um exemplo de matéria ativa.

Durante a divisão celular, o FtsZ se automonta em uma estrutura de anel no centro da célula bacteriana em divisão. Este anel FtsZ – chamado anel de divisão bacteriana – demonstrou ajudar a formar uma nova “parede” que separa as células-filhas. No entanto, aspectos físicos essenciais da automontagem do FtsZ não foram explicados até hoje.

Agora, modeladores computacionais do grupo Šarić se unem a experimentalistas do grupo de Séamus Holden na Universidade de Warwick, Reino Unido, e do grupo de Martin Loose no ISTA para revelar um mecanismo de automontagem inesperado. Seu trabalho computacional demonstra como filamentos FtsZ desalinhados reagem quando atingem um obstáculo.

Ao “morrer” e se remontar, eles favorecem a formação do anel de divisão bacteriana, uma estrutura filamentosa bem alinhada. Essas descobertas podem ter aplicações no desenvolvimento de materiais sintéticos auto-regenerativos.

Esteira, o poder adaptativo da renovação molecular

FtsZ forma filamentos de proteína que se automontam crescendo e encolhendo em uma rotatividade contínua. Esse processo, chamado de “treadmilling”, é a adição e remoção constante de subunidades em extremidades opostas do filamento. Várias proteínas demonstraram fazer esteira em múltiplas formas de vida — como bactérias, animais ou plantas.

Cientistas já pensaram em esteira como uma forma de autopropulsão e a modelaram como filamentos que se movem para frente. No entanto, tais modelos falham em capturar a rotatividade constante de subunidades e superestimam as forças geradas pela montagem dos filamentos. Assim, Anđela Šarić e sua equipe se propuseram a modelar como as subunidades FtsZ interagem e formam filamentos espontaneamente por esteira.

“Tudo em nossas células está em constante renovação. Portanto, precisamos começar a pensar na matéria biológica ativa a partir do prisma da renovação molecular e de uma forma que se adapte ao ambiente externo”, diz Šarić.

Filamentos mortais: morrendo para se alinhar

O que eles descobriram foi impressionante. Em contraste com conjuntos autopropulsados ​​que empurram as moléculas ao redor e criam um “solavanco” sentido em longas distâncias moleculares, eles viram que filamentos FtsZ desalinhados começaram a “morrer” quando atingiram um obstáculo.

“A matéria ativa composta de filamentos mortais não encara o desalinhamento levianamente. Quando um filamento cresce e colide com obstáculos, ele se dissolve e morre”, diz o primeiro autor Vanhille Campos.

Šarić acrescenta: “Nosso modelo demonstra que montagens de esteira levam à cura local do material ativo. Quando filamentos desalinhados morrem, eles contribuem para uma melhor montagem geral.”

Ao incorporar a geometria celular e a curvatura do filamento em seu modelo, eles mostraram como a morte de filamentos FtsZ desalinhados ajudou a formar o anel de divisão bacteriano.

Pesquisa baseada em teoria, confirmada por colaborações com experimentalistas

Motivados pelas teorias físicas das interações moleculares, Šarić e sua equipe logo fizeram dois encontros independentes com grupos experimentais que ajudaram a confirmar seus resultados. Em uma conferência diversa e multidisciplinar chamada “Physics Meets Biology”, eles conheceram Holden, que trabalhou na formação de anéis bacterianos em imagens em células vivas.

Nesta reunião, Holden apresentou dados experimentais emocionantes mostrando que a morte e o nascimento de filamentos FtsZ eram essenciais para a formação do anel de divisão. Isso sugeriu que a esteira tinha um papel crucial neste processo.

“Felizmente, descobrimos que os anéis FtsZ em nossas simulações se comportaram da mesma forma que os anéis de divisão do Bacillus subtilis que a equipe de Holden fotografou”, diz Vanhille Campos.

Em um golpe de sorte semelhante, a mudança da University College London para a ISTA permitiu que Šarić e seu grupo se unissem a Martin Loose, que estava trabalhando na montagem de filamentos FtsZ em uma configuração experimental controlada in vitro. Eles viram que os resultados in vitro correspondiam de perto às simulações e confirmaram ainda mais os resultados computacionais da equipe.

Ressaltando o espírito de cooperação e a sinergia entre os três grupos, Šarić diz: “Estamos todos saindo de nossos campos de pesquisa habituais e indo além do que normalmente fazemos. Discutimos e compartilhamos abertamente dados, visões e conhecimento, o que nos permite responder a perguntas que não podemos abordar separadamente.”

Em direção a materiais sintéticos auto-reparadores

A auto-organização da matéria movida por energia é um processo fundamental na física. A equipe liderada por Šarić agora sugere que os filamentos FtsZ são um tipo diferente de matéria ativa que investe energia em turnover em vez de motilidade.

“No meu grupo, perguntamos como criar matéria viva a partir de material não vivo que pareça vivo. Assim, nosso trabalho atual pode facilitar a criação de materiais sintéticos autocuráveis ​​ou células sintéticas”, diz Šarić.

Como próximo passo, Šarić e sua equipe buscam modelar como o anel de divisão bacteriana ajuda a construir uma parede que dividirá a célula em duas.