Minúsculos poros no núcleo celular desempenham um papel essencial para o envelhecimento saudável, protegendo e preservando o material genético. Uma equipe alemã do Departamento de Biofísica Teórica do Instituto Max Planck de Biofísica em Frankfurt am Main e do Grupo de Biofísica Sintética de Distúrbios de Proteínas da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz literalmente preencheu uma lacuna no entendimento da estrutura e função dessas proteínas nucleares. poros. Os cientistas descobriram como proteínas intrinsecamente desordenadas no centro do poro podem formar uma barreira móvel semelhante a um espaguete que é permeável a fatores celulares importantes, mas bloqueia vírus ou outros patógenos.
As células humanas blindam seu material genético dentro do núcleo celular, protegido pela membrana nuclear. Como centro de controle da célula, o núcleo deve ser capaz de trocar importantes moléculas mensageiras, metabólitos ou proteínas com o resto da célula. Cerca de 2.000 poros são, portanto, construídos na membrana nuclear, cada um consistindo em cerca de 1.000 proteínas.
Durante décadas, os pesquisadores ficaram fascinados com a estrutura tridimensional e a função desses poros nucleares, que atuam como guardiões do genoma: substâncias necessárias para controlar a célula podem passar, enquanto patógenos ou outras substâncias que danificam o DNA são bloqueado de entrada. Os poros nucleares podem, portanto, ser pensados como seguranças moleculares, cada um verificando muitos milhares de visitantes por segundo. Só pode passar quem tem bilhete de entrada.
Como os poros nucleares administram essa enorme tarefa? Cerca de 300 proteínas ligadas ao andaime dos poros projetam-se profundamente na abertura central como tentáculos. Até agora, os pesquisadores não sabiam como esses tentáculos são organizados e como repelem os intrusos. Isso ocorre porque essas proteínas são intrinsecamente desordenadas e carecem de uma estrutura tridimensional definida. Eles são flexíveis e se movem continuamente – como espaguete em água fervente.
Combinação de microscopia e simulações de computador
Como essas proteínas intrinsecamente desordenadas (IDPs) mudam constantemente de estrutura, é difícil para os cientistas decifrar sua arquitetura tridimensional e sua função. A maioria das técnicas experimentais que os pesquisadores usam para produzir imagens de proteínas só funciona com uma estrutura 3D definida. Até agora, a região central do poro nuclear foi representada como um buraco porque não foi possível determinar a organização dos IDPs na abertura.
A equipe liderada por Gerhard Hummer, Diretor do Instituto Max Planck de Biofísica, e Edward Lemke, Professor de Biofísica Sintética da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, e Diretor Adjunto do Instituto de Biologia Molecular de Mainz, agora usou uma nova combinação de biologia sintética, microscopia de fluorescência multidimensional e simulações baseadas em computador para estudar IDPs de poros nucleares em células vivas.
“Usamos ferramentas de precisão modernas para marcar vários pontos das proteínas semelhantes a espaguete com corantes fluorescentes que excitamos pela luz e visualizamos no microscópio”, explica Lemke. “Com base nos padrões de brilho e na duração, fomos capazes de deduzir como as proteínas devem ser organizadas”. Hummer acrescenta: “Em seguida, usamos simulações de dinâmica molecular para calcular como os IDPs são organizados espacialmente no poro, como eles interagem uns com os outros e como se movem. Pela primeira vez, pudemos visualizar o portão para o centro de controle das células humanas .”
Rede protéica dinâmica como barreira de transporte
Os tentáculos do poro de transporte assumem um comportamento completamente diferente do que conhecíamos antes, pois interagem entre si e com a carga. Eles se movem permanentemente como o mencionado espaguete em água fervente. Portanto, no centro do poro não há um buraco, mas um escudo de moléculas onduladas, semelhantes a espaguete. Vírus ou bactérias são grandes demais para passar por essa peneira. No entanto, outras grandes moléculas celulares necessárias no núcleo podem passar, pois carregam sinais muito específicos. Essas moléculas têm um bilhete de entrada, enquanto os patógenos geralmente não. “Ao desembaraçar o preenchimento dos poros, entramos em uma nova fase na pesquisa de transporte nuclear”, acrescenta Martin Beck, colaborador e colega do Instituto Max Planck de Biofísica.
“Entender como os poros transportam ou bloqueiam a carga nos ajudará a identificar erros. Afinal, alguns vírus conseguem entrar no núcleo da célula apesar da barreira”, resume Hummer. “Com nossa combinação de métodos, agora podemos estudar os IDPs com mais detalhes para descobrir por que eles são indispensáveis para certas funções celulares, apesar de serem propensos a erros. Na verdade, os IDPs são encontrados em quase todas as espécies, embora apresentem o risco de formar agregados durante o processo de envelhecimento que podem levar a doenças neurodegenerativas como o mal de Alzheimer”, diz Lemke. Ao aprender como os IDPs funcionam, os pesquisadores pretendem desenvolver novos medicamentos ou vacinas que previnam infecções virais e ajudem no envelhecimento saudável.