Na última década, os biólogos descobriram que uma das estratégias que as células utilizam para manter seu conteúdo organizado é um fenômeno conhecido como separação de fases. 

Assim como o óleo forma gotículas que flutuam em uma solução de vinagre, as proteínas dentro das células podem sofrer separação de fases para formar gotículas altamente concentradas que as mantêm organizadas dentro da célula. Em um novo estudo, pesquisadores do MIT demonstraram que essa formação de gotículas é crucial para controlar a função de uma classe de enzimas chamadas cinases.

Os pesquisadores descobriram que a condensação em gotículas otimiza as condições bioquímicas necessárias para que as quinases catalisem reações, permitindo que elas ativem as vias de sinalização celular mais rapidamente. Em alguns casos, a formação de gotículas pode até mesmo alterar quais reações as quinases realizam. 

“Muitas moléculas biológicas têm essa propensão a se separar espontaneamente. Estávamos realmente interessados em saber, se temos essas cinases formando gotículas, qual é a consequência disso no contexto da sinalização?”, diz Lindsay Case, professora assistente de biologia no MIT e autora principal do estudo.

Aprender mais sobre como essas gotículas se formam pode ajudar os pesquisadores a desenvolver medicamentos que atuem sobre as cinases, algumas das quais podem estar hiperativas em células cancerígenas.

“Compreender a química desses compartimentos, e quais moléculas entram neles e quais não entram, pode nos ajudar a desenvolver medicamentos que se localizem melhor em seu alvo de interesse”, diz Case.

Nicholas Lea, um estudante de pós-graduação do MIT, é o autor principal do artigo, que foi publicado hoje na revista Cell Reports .

Desde os tempos de estudante de pós-graduação, Case estuda como a organização física das moléculas dentro das células afeta sua função. Como pós-doutoranda, ela começou a estudar como a separação de fases pode afetar uma via de sinalização que permite às células perceber quando estão ligadas ao seu ambiente, para que possam responder adequadamente. 

Algumas das proteínas nessa via são cinases, que ativam outras proteínas adicionando grupos fosfato a elas. As cinases também podem se ativar por meio de um processo chamado autofosforilação.

“Dentro da célula, existem moléculas de cinase responsáveis por transmitir um sinal através da célula, e sabemos que a organização dessas moléculas muda. Quando a informação está presente, elas se organizam de maneira diferente de quando a informação não está presente”, diz Case. “Acreditamos que ter as moléculas certas no lugar certo é extremamente importante para que a bioquímica correta ocorra.”

A separação de fases é um dos métodos que as células parecem usar para essa organização. O exemplo mais comum de separação de fases pode ser visto em um molho para salada, onde o óleo forma gotículas para minimizar o contato com o vinagre à base de água. As proteínas podem sofrer separação de fases quando estão altamente concentradas, levando-as a se auto-organizarem em gotículas densas que flutuam no citoplasma da célula.

Case levantou a hipótese de que essa separação de fases, que reúne as cinases em alta densidade, pode ajudar as células a aumentar a atividade das enzimas, pois elas têm maior probabilidade de se encontrarem e se fosforilarem mutuamente.

Neste estudo, Case e Lea propuseram-se a testar essa hipótese, concentrando-se numa enzima chamada quinase de adesão focal (FAK). Esta quinase, que é ativada quando as células se ligam ao seu ambiente circundante, ativa sinais pró-crescimento e pró-sobrevivência. Nas células cancerígenas, esta via de sinalização pode falhar, permitindo que as células proliferem mesmo quando se desprendem dos seus locais originais.

Os cientistas já sabiam que, quando as células estão devidamente aderidas ao seu ambiente, esse sinal de adesão faz com que a FAK se acumule na membrana celular. No novo estudo, a equipe do MIT reproduziu esse efeito superexpressando a FAK nas células. Essas células estavam flutuando livremente em uma solução, sem estarem aderidas a nenhuma superfície. Mesmo assim, a alta concentração de FAK fez com que a quinase se separasse em gotículas, o que ativou o sinal pró-crescimento.

“Foi surpreendente que, apenas condensando essa proteína em uma gotícula, você consiga ativar uma via de sinalização que deveria estar desativada”, diz Case. “Se a concentração de FAK estiver muito alta, você sempre terá essas gotículas e estará sempre sinalizando, independentemente do que os receptores que deveriam controlar isso estejam fazendo.” 

Os resultados sugerem que, em células cancerígenas, a superexpressão de FAK pode levar à separação de fases, o que, por sua vez, contribui para impulsionar a progressão e a metástase do câncer. 

"Pode ser que, para algumas cinases, não seja aconselhável formar essas gotículas no citoplasma, porque isso leva a um sinal sempre ativo, e então as células deixam de receber as informações provenientes do ambiente", diz Case.

Interferir na capacidade da FAK de formar gotículas pode oferecer uma nova estratégia para o desenvolvimento de medicamentos contra o câncer, afirma ela. 

Os pesquisadores também estudaram outras duas cinases, Mst2 e Abl. Eles descobriram que essas enzimas também podiam sofrer separação de fases em altas concentrações, o que aumentava sua atividade. Enquanto a separação de fases da FAK no citoplasma pode ocorrer apenas em células cancerosas, para a Mst2, parece ser uma estratégia que as células saudáveis usam para controlar uma via de sinalização chamada Hippo, que promove o crescimento e a sobrevivência celular.

Além disso, tanto para Mst2 quanto para Abl, os pesquisadores descobriram que a separação de fases pode levar as enzimas a fosforilar alvos adicionais, o que pode resultar na ativação de diferentes vias de sinalização.

“Não se trata apenas de uma fosforilação mais rápida, mas, nesses casos, os padrões de fosforilação dentro da gotícula são muito diferentes do que ocorreria em um contexto sem gotículas”, diz Case. “A quinase é capaz de fosforilar resíduos de aminoácidos além do conjunto de sítios canônicos descritos anteriormente.”

Os pesquisadores também descobriram que, quando essas gotículas se formam, elas atraem altas concentrações de ATP, a molécula que as cinases usam como fonte de fosfato. Isso ocorre porque as cinases tendem a conter seções flexíveis com muitos aminoácidos carregados positivamente, que atraem o ATP carregado negativamente.

Utilizando um modelo de aprendizado de máquina, os pesquisadores previram que cerca de 45% das 500 quinases encontradas em células humanas teriam a capacidade de formar gotículas como as observadas neste estudo. Essas quinases também apresentaram maior probabilidade de serem altamente carregadas positivamente, o que poderia ajudá-las a recrutar ATP para as gotículas.

Em trabalhos futuros, Case espera explorar a possibilidade de desenvolver medicamentos que possam imitar a capacidade do ATP de ser atraído para gotículas dentro de uma célula, o que poderia ajudar a reduzir os efeitos colaterais negativos dos medicamentos. 

“Ao direcionar os medicamentos para o compartimento onde o alvo se encontra, isso pode reduzir os efeitos colaterais, concentrando o medicamento no alvo de interesse e reduzindo as interações com outras moléculas”, afirma Case. 

A pesquisa foi financiada por uma bolsa do Programa de Bolsas Searle, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pelo Fundo Memorial da Família Royal G. e Mae H. Westaway e por uma Bolsa de Pós-Graduação David H. Koch.