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Novas proteínas 'do nada'
A hemoglobina, por exemplo, transporta o oxigênio em nosso sangue; as proteínas de fotossíntese nas folhas das plantas convertem a luz solar em energia; e as enzimas fúngicas nos ajudam a preparar cerveja e assar pão.
Por Universidade de Münster - 12/03/2021


Regiões de flexibilidade da proteína: pouco flexível (azul), moderadamente flexível (verde / amarelo) e altamente flexível (vermelho). No entanto, tanto a hélice alfa central quanto o terminal N (início da proteína) exibem dobramento estável em comparação com o resto da proteína. Crédito: Adam Damry

As proteínas são o componente chave em todas as formas de vida modernas. A hemoglobina, por exemplo, transporta o oxigênio em nosso sangue; as proteínas de fotossíntese nas folhas das plantas convertem a luz solar em energia; e as enzimas fúngicas nos ajudam a preparar cerveja e assar pão. Os pesquisadores há muito examinam a questão de como as proteínas sofrem mutação ou passam a existir no decorrer de milênios. Que proteínas completamente novas - e, com elas, novas propriedades - possam surgir praticamente do nada, era inconcebível por décadas, em linha com o que dizia o filósofo grego Parmênides: "Nada pode surgir do nada" (ex nihilo nihil fit). Trabalhando com colegas dos Estados Unidos e da Austrália, pesquisadores da Universidade de Münster (Alemanha) reconstruíram agora como a evolução forma a estrutura e função de uma proteína recém-surgida nas moscas. Esta proteína é essencial para a fertilidade masculina. Os resultados foram publicados na revistaNature Communications .

Até agora, presumia-se que novas proteínas emergiam de proteínas já existentes - por uma duplicação dos genes subjacentes e por uma série de pequenas mutações em uma ou em ambas as cópias dos genes. Nos últimos dez anos, no entanto, uma nova compreensão da proteínaa evolução surgiu: as proteínas também podem se desenvolver a partir do chamado DNA não codificador (ácido desoxirribonucléico) - em outras palavras, daquela parte do material genético que normalmente não produz proteínas - e podem subsequentemente se desenvolver em componentes celulares funcionais. Isso é surpreendente por vários motivos: por muitos anos, presumiu-se que, para serem funcionais, as proteínas deveriam assumir uma forma geométrica altamente desenvolvida (uma estrutura 3D). Foi ainda assumido que tal forma não poderia se desenvolver a partir de um gene emergindo ao acaso, mas exigiria uma combinação complexa de aminoácidos permitindo que essa proteína existisse em sua forma funcional.

Apesar de décadas de tentativas, pesquisadores em todo o mundo ainda não conseguiram construir proteínas com as estruturas e funções 3D desejadas, o que significa que o "código" para a formação de uma proteína funcional é essencialmente desconhecido. Embora essa tarefa permaneça um enigma para os cientistas, a natureza provou ser mais hábil na formação de novas proteínas. Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Prof. Erich Bornberg-Bauer, do Instituto de Evolução e Biodiversidade da Universidade de Münster, descobriu, comparando os genomas recentemente analisados ​​em vários organismos, que as espécies não diferem apenas por genes codificadores de proteínas duplicados adaptados no curso da evolução. Além disso, as proteínas estão constantemente sendo formadas de novo (de novo) - isto é, sem nenhuma proteína precursora relacionada passando por um processo de seleção.

As moscas da fruta (mostradas aqui acasalando) serviram como modelo de estudo.
Crédito: Mareike Kopping

A grande maioria dessas proteínas de novo são inúteis, ou mesmo ligeiramente deletérias, pois podem interferir nas proteínas existentes na célula. Essas novas proteínas são rapidamente perdidas novamente após várias gerações, pois os organismos que carregam o novo gene que codifica a proteína têm sua sobrevivência ou reprodução prejudicada. No entanto, algumas proteínas selecionadas de novo provaram ter funções benéficas. Essas proteínas se integram aos componentes moleculares das células e, eventualmente, após milhões de anos de pequenas modificações, tornam-se indispensáveis. Existem algumas questões importantes sobre as quais muitos pesquisadores se perguntam neste contexto: Como essas novas proteínas se parecem ao nascer? Como eles mudam e quais funções eles assumem como os 'novos garotos do bairro'? Liderado pelo grupo do Prof. Bornberg-Bauer em Münster,
 
A pesquisa prosseguiu em três frentes relacionadas em três continentes. No College of the Holy Cross em Massachusetts, EUA, o Dr. Prajal Patel e o Prof. Geoff Findlay usaram a edição do genoma CRISPR / Cas9 para mostrar que as moscas machos que não produzem Goddard são estéreis, mas saudáveis. Enquanto isso, Dr. Andreas Lange e Ph.D. O aluno Brennen Heames, do grupo do Prof. Bornberg-Bauer, usou técnicas bioquímicas para prever a forma da nova proteína nas moscas atuais. Eles então usaram métodos evolutivos para reconstruir a estrutura provável de Goddard ~ 50 milhões de anos atrás, quando a proteína surgiu pela primeira vez. O que eles descobriram foi uma grande surpresa: "A proteína ancestral Goddard já se parecia muito com as que existem nas espécies de mosca hoje", explica Erich Bornberg-Bauer. "Desde o início, Colin Jackson usou simulações computacionais intensivas para verificar a forma prevista da proteína Goddard. Eles validaram a análise estrutural do Dr. Lange e mostraram que Goddard, apesar de sua tenra idade, já é bastante estável - embora não tão estável quanto a maioria das proteínas de mosca que se acredita terem existido por mais tempo, talvez centenas de milhões de anos . Colin Jackson usou simulações computacionais intensivas para verificar a forma prevista da proteína Goddard. Eles validaram a análise estrutural do Dr. Lange e mostraram que Goddard, apesar de sua tenra idade, já é bastante estável - embora não tão estável quanto a maioria das proteínas de mosca que se acredita terem existido por mais tempo, talvez centenas de milhões de anos .

Os resultados correspondem a vários outros estudos atuais, que mostraram que os elementos genômicos dos quais os genes codificadores de proteínas emergem são ativados com frequência - dezenas de milhares de vezes em cada indivíduo. Esses fragmentos são então classificados através do processo de seleção evolutiva. Os que são inúteis ou prejudiciais - a grande maioria - são rapidamente descartados. Mas aqueles que são neutros, ou ligeiramente benéficos, podem ser otimizados ao longo de milhões de anos e transformados em algo útil.

 

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