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Imagine a vida de uma célula de levedura flutuando pela cozinha em um esporo que eventualmente pousa em uma tigela de uvas. A vida é boa: comida durante dias, pelo menos até alguém notar as frutas podres e jogá-las fora. Mas então o sol brilha através de uma janela, a parte do balcão onde está a tigela esquenta e de repente a vida fica desconfortável para o humilde fermento. Quando as temperaturas ficam muito altas, as células interrompem seus processos normais para enfrentar as condições estressantes e sobreviver para se deliciarem com as uvas em outro dia mais fresco.
Esta “resposta ao choque térmico” das células é um modelo clássico de adaptação biológica, parte dos processos fundamentais da vida – conservados em criaturas desde leveduras unicelulares até aos humanos – que permitem que as nossas células se ajustem às mudanças nas condições do seu ambiente. Durante anos, os cientistas concentraram-se na forma como diferentes genes respondem ao stress térmico para compreender esta técnica de sobrevivência. Agora, graças à utilização inovadora de técnicas avançadas de imagem, os investigadores da Universidade de Chicago estão a obter uma visão sem precedentes da maquinaria interna das células para ver como respondem ao stress térmico.
“A adaptação é um superpoder oculto das células”, disse Asif Ali, PhD, pesquisador de pós-doutorado na UChicago especializado na captura de imagens de processos celulares. “Eles não precisam usar esse superpoder o tempo todo, mas quando ficam presos em uma situação difícil, de repente, não há saída. Então, eles empregam isso como estratégia de sobrevivência.”
Ali trabalha no laboratório de David Pincus, PhD, professor assistente de genética molecular e biologia celular na UChicago, onde sua equipe estuda como as células se adaptam a ambientes estressantes e complexos, incluindo a resposta ao choque térmico. No novo estudo, publicado em 16 de outubro de 2023, em Biologia Celular da Naturezaeles combinaram várias novas técnicas de imagem para mostrar que, em resposta ao choque térmico, as células empregam um mecanismo de proteção para suas proteínas ribossômicas órfãs – proteínas críticas para o crescimento que são altamente vulneráveis à agregação quando o processamento celular normal é interrompido – preservando-as dentro condensados semelhantes a líquidos.
Uma vez que o choque térmico diminui, esses condensados são dispersos com a ajuda de proteínas moleculares chaperonas, facilitando a integração das proteínas órfãs em ribossomos maduros funcionais que podem começar a produzir proteínas novamente. Este rápido reinício da produção de ribossomos permite que a célula retome de onde parou, sem desperdiçar energia. O estudo mostra ainda que as células incapazes de manter o estado líquido desses condensados não se recuperam tão rapidamente, ficando para trás dez gerações enquanto tentam reproduzir as proteínas perdidas.
“Asif desenvolveu uma técnica biológica celular inteiramente nova que nos permite visualizar proteínas ribossômicas órfãs nas células em tempo real, pela primeira vez”, disse Pincus. “Como muitas inovações, foi necessário um avanço tecnológico para nos permitir ver uma biologia totalmente nova que antes era invisível para nós, mas que sempre esteve presente nas células que estudamos há anos”.
Gosma biomolecular vagamente afiliada
Os ribossomos são máquinas cruciais dentro do citoplasma de todas as células que leem as instruções genéticas no RNA mensageiro e constroem cadeias de aminoácidos que se dobram em proteínas. A produção de ribossomos para realizar esse processo consome muita energia, portanto, sob condições de estresse como choque térmico, é uma das primeiras coisas que uma célula desliga para conservar energia. Porém, a qualquer momento, 50% das proteínas recém-sintetizadas dentro de uma célula são proteínas ribossômicas que ainda não foram completamente traduzidas. Até um milhão de proteínas ribossómicas são produzidas por minuto numa célula, por isso, se a produção de ribossomas for interrompida, estes milhões de proteínas poderão ficar flutuando sem vigilância, propensos a aglomerar-se ou a dobrar-se de forma inadequada, o que pode causar problemas no futuro.
Em vez de se concentrarem em como os genes se comportam durante o choque térmico, Ali e Pincus queriam olhar dentro da maquinaria das células para ver o que acontece com essas proteínas ribossômicas “órfãs”. Para isso, Ali recorreu a uma nova ferramenta de microscopia chamada treliça de luz 4D, que usa múltiplas folhas de luz laser para criar imagens totalmente dimensionais de componentes dentro de células vivas.
Como ele queria se concentrar no que estava acontecendo apenas com as proteínas órfãs durante o choque térmico, Ali também usou uma técnica clássica chamada “rotulagem de pulso” com um toque moderno: um corante especial chamado “HaloTag” para sinalizar as proteínas órfãs recém-sintetizadas. Freqüentemente, quando os cientistas desejam rastrear a atividade de uma proteína dentro de uma célula, eles usam uma etiqueta de proteína fluorescente verde (GFP) que brilha em verde brilhante sob um microscópio. Mas como existem tantas proteínas ribossómicas maduras numa célula, a utilização de GFP apenas iluminaria toda a célula. Em vez disso, a marcação do pulso com o corante HaloTag permite aos pesquisadores iluminar apenas os ribossomos recém-criados e deixar os maduros escuros.
Usando essas ferramentas de imagem combinadas, os pesquisadores viram que as proteínas órfãs foram coletadas em gotículas de material semelhantes a líquido perto do nucléolo (Pincus usou o termo científico “gosma biomolecular vagamente afiliada”). Essas bolhas foram acompanhadas por acompanhantes moleculares, proteínas que geralmente auxiliam no processo de produção ribossômica, ajudando a dobrar novas proteínas. Nesse caso, os acompanhantes pareciam estar “agitando” as proteínas coletadas, mantendo-as no estado líquido e evitando que se aglomerassem.
Esta descoberta é intrigante, disse Pincus, porque muitas doenças humanas, como o cancro e doenças neurodegenerativas, estão ligadas a aglomerados de proteínas mal dobrados ou agregados. Uma vez que as proteínas se entrelaçam, elas também permanecem assim, de modo que esse mecanismo de “agitação” parece ser outra adaptação.
“Acho que uma definição geral muito plausível para saúde e doença celular é que se as coisas são líquidas e se movem, você está em um estado saudável, quando as coisas começam a entupir e a formar esses agregados, isso é patologia”, disse Pincus. “Acreditamos realmente que estamos descobrindo os mecanismos fundamentais que podem ser clinicamente relevantes, ou pelo menos, no coração mecanicista de tantas doenças humanas”.
Encontrando estrutura em escala atômica
No futuro, Ali espera empregar outra técnica de imagem chamada tomografia crioeletrônica, uma aplicação que usa um microscópio eletrônico enquanto amostras de células são congeladas para capturar imagens de seus componentes internos em um nível atômico de resolução. Outra vantagem dessa técnica é que ela permite aos pesquisadores capturar imagens 3D dentro da própria célula, em vez de separar e preparar proteínas para geração de imagens.
Usando esta nova ferramenta, os pesquisadores querem examinar o interior dos condensados de proteínas para ver se eles estão organizados de uma forma que os ajude a se dispersar facilmente e a retomar a atividade assim que o choque térmico passar.
“Tenho que acreditar que eles não estão apenas confusos e misturados”, disse Pincus. “O que esperamos ver no que parece ser uma sopa desorganizada é que haja alguma estrutura e ordem que os ajude a começar a crescer novamente tão rapidamente.”
A pesquisa relatada neste comunicado de imprensa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH) sob os números de prêmio R01 GM138689 e R35 GM144278, juntamente com o apoio da Neubauer Family Foundation e da National Science Foundation (NSF) Quantum Leap Challenge Institute Sensoriamento quântico para Bolsa de Biofísica e Bioengenharia OMA-2121044. Autores adicionais incluem Rania Garde, Olivia C. Schaffer, Jared AM Bard, Kabir Husain, Samantha Keyport Kik, Kathleen A. Davis, Sofia Luengo-Woods, Maya G. Igarashi, D. Allan Drummond e Allison H. Squires da Universidade de Chicago. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais do NIH ou da NSF.
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