As células têm uma característica fascinante de organizar ordenadamente seu interior usando minúsculas máquinas de proteínas chamadas motores moleculares que geram movimentos direcionados. A maioria deles utiliza um tipo comum de combustível, uma espécie de energia química, chamada ATP para funcionar. Agora, pesquisadores do Instituto Max Planck de Biologia Celular e Genética Molecular (MPI-CBG), do Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) e do Centro de Biotecnologia (BIOTEC) da TU Dresden em Dresden, Alemanha, e do Centro Nacional de Ciências Biológicas (NCBS) em Bangalore, Índia, descobriu um novo sistema molecular que usa uma energia química alternativa e emprega um novo mecanismo para realizar trabalho mecânico. Ao contrair e expandir repetidamente, esse motor molecular funciona de maneira semelhante a um motor Stirling clássico e ajuda a distribuir carga para organelas ligadas à membrana. É o primeiro motor a usar dois componentes, duas proteínas de tamanhos diferentes, Rab5 e EEA1, e é acionado por GTP em vez de ATP. Os resultados são publicados na revista Física da Natureza.
As proteínas motoras são máquinas moleculares notáveis dentro de uma célula que convertem energia química, armazenada em uma molécula chamada ATP, em trabalho mecânico. O exemplo mais proeminente é a miosina, que ajuda nossos músculos a se moverem. Em contraste, as GTPases, que são proteínas pequenas, não são vistas como geradoras de força molecular. Um exemplo é um motor molecular composto por duas proteínas, EEA1 e Rab5. Em 2016, uma equipe interdisciplinar de biólogos celulares e biofísicos dos grupos dos diretores do MPI-CBG Marino Zerial e Stephan Grill e seus colegas, incluindo o líder do grupo de pesquisa PoL e BIOTEC, Marcus Jahnel, descobriram que a pequena proteína GTPase Rab5 poderia desencadear uma contração em EEA1. Essas proteínas tether em forma de corda podem reconhecer a proteína Rab5 presente na membrana de uma vesícula e se ligar a ela. A ligação do Rab5 muito menor envia uma mensagem ao longo da estrutura alongada do EEA1, aumentando assim sua flexibilidade, semelhante à forma como o cozimento amolece o espaguete. Essa mudança de flexibilidade produz uma força que puxa a vesícula em direção à membrana-alvo, onde ocorre o encaixe e a fusão. No entanto, a equipe também levantou a hipótese de que o EEA1 poderia alternar entre um estado flexível e rígido, semelhante a um movimento mecânico do motor, simplesmente interagindo apenas com o Rab5.
É aqui que se insere a presente investigação, concretizada através do trabalho de doutoramento dos dois primeiros autores do estudo. Joan Antoni Soler, do grupo de pesquisa de Marino Zerial no MPI-CBG, e Anupam Singh, do grupo de Shashi Thutupalli, biofísico do Simons Center for the Study of Living Machines no NCBS em Bangalore, começaram a observar experimentalmente esse motor em ação.
Com um projeto experimental para investigar a dinâmica da proteína EEA1 em mente, Anupam Singh passou três meses no MPI-CBG em 2019. “Quando conheci Joan, expliquei a ele a ideia de medir a dinâmica da proteína de EEA1. Mas esses os experimentos exigiram modificações específicas na proteína que permitiram medir sua flexibilidade com base em suas mudanças estruturais”, diz Anupam. A experiência de Joan Antoni Soler em bioquímica de proteínas foi perfeita para essa tarefa desafiadora. “Fiquei encantado ao saber que a abordagem para caracterizar a proteína EEA1 poderia responder se EEA1 e Rab5 formam um motor de dois componentes, como se suspeitava anteriormente. Percebi que as dificuldades na obtenção das moléculas corretas poderiam ser resolvidas modificando a proteína EEA1 para permitem que os fluoróforos se liguem a regiões específicas da proteína. Essa modificação facilitaria a caracterização da estrutura da proteína e as mudanças que podem ocorrer quando ela interage com Rab5”, explica Joan Antoni.
Armados com as moléculas de proteína adequadas e o valioso apoio da co-autora Janelle Lauer, pesquisadora sênior de pós-doutorado no grupo de pesquisa de Marino Zerial, Joan e Anupam foram capazes de caracterizar a dinâmica de EEA1 completamente usando os microscópios avançados de varredura a laser fornecidos pelas instalações de microscopia de luz no MPI-CBG e no NCBS. Surpreendentemente, eles descobriram que a proteína EEA1 poderia passar por vários ciclos de transição de flexibilidade, de rígido para flexível e vice-versa, impulsionado apenas pela energia química liberada por sua interação com o GTPase Rab5. Esses experimentos mostraram que EEA1 e Rab5 formam um motor de dois componentes acionado por GTP. Para interpretar os resultados, Marcus Jahnel, um dos autores correspondentes e líder do grupo de pesquisa da PoL e da BIOTEC, desenvolveu um novo modelo físico para descrever o acoplamento entre as etapas químicas e mecânicas da motocicleta. Juntamente com Stephan Grill e Shashi Thutupalli, os biofísicos também foram capazes de calcular a eficiência termodinâmica do novo sistema motor, que é comparável à das proteínas motoras convencionais movidas a ATP.
“Nossos resultados mostram que as proteínas EEA1 e Rab5 trabalham juntas como um sistema motor molecular de dois componentes que pode transferir energia química para trabalho mecânico. gerando mecanismo motor molecular pode ser conservado em outras moléculas e usado por vários outros compartimentos celulares”, resume Marino Zerial o estudo. Marcus Jahnel acrescenta: “Estou muito satisfeito por finalmente podermos testar a ideia de um motor EEA1-Rab5. É ótimo ver isso confirmado por esses novos experimentos. A maioria dos motores moleculares usa um tipo comum de combustível celular chamado ATP. Pequenos GTPases consomem outro tipo de combustível, GTP, e foram pensados principalmente como moléculas de sinalização. O fato de que eles também podem conduzir um sistema molecular para gerar forças e mover coisas coloca essas moléculas abundantes sob uma nova luz interessante.” Stephan Grill está igualmente entusiasmado: “É uma nova classe de motores moleculares! Este não se move como o motor cinesina que transporta carga ao longo dos microtúbulos, mas realiza o trabalho enquanto permanece no lugar. É um pouco como os tentáculos de um polvo.”
“O modelo que usamos é inspirado no ciclo clássico do motor Stirling. Enquanto o motor Stirling tradicional gera trabalho mecânico ao expandir e comprimir o gás, o motor de dois componentes descrito usa proteínas como substrato de trabalho, com mudanças na flexibilidade das proteínas resultando em força geração. Como resultado, este tipo de mecanismo abre novas possibilidades para o desenvolvimento de motores de proteínas sintéticas”, acrescenta Shashi Thutupalli.
No geral, os autores esperam que este novo estudo interdisciplinar possa abrir novos caminhos de pesquisa tanto na biologia celular molecular quanto na biofísica.