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Uma única célula humana está repleta de 100.000 proteínas diferentes. A actina é uma das mais abundantes e essenciais de todas. Essa proteína forma filamentos que ajudam a compor o esqueleto das células, dando-lhes forma. E à medida que os filamentos de actina se alongam, eles funcionam como músculos, empurrando a membrana interna de uma célula para movê-la para frente.
Três outras proteínas são conhecidas por conduzir as atividades da actina. Uma classe de proteína monta moléculas individuais de actina em filamentos de actina, outra faz com que os filamentos parem de crescer e uma terceira desmonta os filamentos.
Biofísicos da Emory University, no entanto, descobriram uma visão ainda mais complexa e diferenciada de como essas três proteínas juntas influenciam a dinâmica da actina. Natureza Comunicações publicaram as descobertas, mostrando como essas proteínas às vezes mudam de solo ou dueto para atuar como um trio, permitindo-lhes ajustar a atividade dos filamentos de actina.
A descoberta abre outra janela para a dinâmica do movimento celular, que é fundamental para processos que vão desde a diferenciação de células-tronco e cicatrização de feridas até o desenvolvimento de doenças como o câncer.
“Descobrimos que, embora essas três proteínas façam uma coisa quando trabalham sozinhas, elas fazem uma coisa completamente diferente quando as outras duas proteínas se juntam a elas”, diz Shashank Shekhar, professor assistente de física e biologia celular da Emory e autor sênior do estudo. “Fica muito complexo, muito rápido.”
“Ninguém havia olhado para todas essas proteínas interagindo ao mesmo tempo na actina”, acrescenta Heidi Ulrichs, co-autora do estudo e candidata a PhD em bioquímica, célula e biologia do desenvolvimento. “Nosso artigo é o primeiro relato de todos os três ocupando a mesma extremidade farpada de um filamento de actina”.
Ulrichs trabalhou de perto no projeto com Ignas Gaska, um pós-doutorando no laboratório Shekkhar que é o primeiro autor do artigo.
A pesquisa sobre como as proteínas agem individualmente na actina é relativamente bem caracterizada.
Uma proteína polimerase, como a formina, conduz o alongamento da actina. A formina posiciona-se no final de um filamento de actina, agarra-se às moléculas de actina flutuantes e empilha-as uma a uma para continuar a crescer na extremidade.
Proteínas despolimerases, como twinfilin, são outra classe de proteínas que influenciam a actina. Twinfilin funciona como um rolo de fiapos, ligando-se ao final de um filamento e descascando uma molécula de cada vez. Twinfilin pode repetir o processo para desmontar o filamento de actina inteiramente.
Proteínas conhecidas como cappers podem parar o alongamento e desmontagem dos filamentos. Um capsulador se liga ao final de um filamento de actina e o cobre como um chapéu, bloqueando a atividade das outras proteínas.
Esse conhecimento foi construído isolando uma proteína de cada vez para estudar como ela influencia a actina. Estudos mais recentes também mostraram interações simultâneas entre twinfilin e proteínas capping.
Para o estudo atual, os pesquisadores queriam explorar se a formina, a twinfilina e a proteína capping poderiam atuar simultaneamente na actina.
“A extremidade de um filamento de actina é muito pequena, com apenas cinco nanômetros de diâmetro”, explica Shekhar. “Um pensamento era que simplesmente não há espaço suficiente disponível para três proteínas trabalharem em um único filamento de actina ao mesmo tempo”.
O Shekhar Lab é um dos poucos no mundo que usa a técnica altamente especializada de microscopia de fluorescência de reflexão interna total assistida por microfluídica (mf-TIRF) para estudar como o citoesqueleto de actina se remodela.
As células estão repletas de milhares de proteínas se movendo, desempenhando diferentes funções, impossibilitando o rastreamento de todas elas. Os pesquisadores devem isolar as proteínas de interesse e estudá-las fora de um sistema celular, introduzindo-as em um sistema microfluídico em uma lâmina de microscópio.
A tecnologia mf-TIRF permite que o Shekhar Lab conecte esferas fluorescentes a moléculas de proteína únicas para que os pesquisadores possam observar melhor o que essas moléculas estão fazendo através de um microscópio.
Em experimentos, os pesquisadores marcaram moléculas de actina, formina, twinfilin e a proteína capping com quatro cores diferentes que emitiam luz fluorescente. Eles então introduziram actina no sistema microfluídico e adicionaram as outras proteínas uma de cada vez.
Os resultados os surpreenderam.
Quando a twinfilin, a proteína que quebra um filamento de actina, foi adicionada na presença da formina e da proteína de capeamento, a twinfilin realmente funcionou para acelerar o processo de alongamento do filamento.
“Isso é contra-intuitivo, o que é legal”, diz Ulrichs. “Fazendo ciência você fica surpreso o tempo todo.”
A twinfilina sozinha não conseguiu se juntar à formina na extremidade do filamento de actina. No entanto, quando a proteína capping também estava presente, todos os três poderiam trabalhar juntos simultaneamente na pequena superfície do filamento de actina.
Shekhar compara os efeitos de todas as três proteínas trabalhando juntas a um botão que permite um controle mais preciso de um processo.
“Nossas descobertas estabelecem um novo paradigma no qual as três proteínas trabalham em conjunto para ajustar a velocidade com que os filamentos de actina são formados”, diz ele.
A dinâmica de como as três proteínas interagem com a actina é fundamental para desvendar os complexos mistérios de como as células funcionam normalmente e o que acontece quando algo dá errado.
“Estamos construindo conhecimento, passo a passo, estudo por estudo, sobre a dinâmica do que está acontecendo dentro de uma célula”, diz Ulrichs.
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