Em um novo estudo, pesquisadores da Universidade de Maryland desmistificaram o processo pelo qual as células recebem sua forma – e tudo começa com uma proteína chamada actina.

A actina é um componente-chave do citoesqueleto que fornece estrutura às células, assim como nossos esqueletos sustentam nossos corpos. No entanto, ao contrário do nosso esqueleto, o citoesqueleto de actina é uma estrutura altamente maleável que pode montar e desmontar rapidamente em resposta a estímulos bioquímicos e biofísicos.

É bem conhecido que a actina pode formar tanto estruturas esféricas 3D semelhantes a conchas que protegem as células da pressão externa quanto anéis 2D que modificam as funções intracelulares. Mas sempre que os pesquisadores tentavam recriar essas estruturas fora da célula, quase sempre acabavam com aglomerados de actina. Ninguém sabia por quê – até agora.

Os pesquisadores usaram simulações de computador para mostrar que a actina e sua proteína parceira, a miosina, se envolvem em um cabo de guerra, com a miosina tentando prender a actina em aglomerados locais e a actina tentando fugir. Se a actina vencer, os filamentos de actina escapam da força de tração da miosina e formam espontaneamente anéis e conchas esféricas. Se a miosina vencer, a rede de actina colapsa e forma aglomerados densos.

"Anéis de actina e conchas esféricas são onipresentes em quase todos os tipos de células em todas as espécies. Acreditamos que entender o mecanismo por trás da formação dessas estruturas abre a porta para como as células sentem e respondem ao seu ambiente", disse Garegin Papoian, coautor. do estudo e um UMD Monroe Martin Professor no Departamento de Química e Bioquímica e do Instituto de Ciências Físicas e Tecnologia (IPST).

Suas descobertas, publicadas em 21 de outubro de 2022, na revista eLife , podem ter implicações importantes para a saúde humana. Como os anéis de actina são fundamentais para a capacidade do nosso corpo de combater células estranhas – com defeitos potencialmente resultando em imunidade prejudicada ou distúrbios autoimunes – as descobertas deste estudo podem ajudar no desenvolvimento de medicamentos futuros.

Os monômeros de actina podem ser vistos como vagões ferroviários, que se unem para formar um filamento de actina semelhante a um trem. Esses trens de actina se movem pela célula por causa de um processo chamado de esteira. Também estão em jogo os motores de miosina, que puxam trens de orientação oposta um para o outro. Papoian, Qin Ni (Ph.D. '21, engenharia química) e Ph.D. em biofísica. O estudante Haoran Ni acreditava que uma competição entre a força de tração da miosina e a velocidade da esteira era responsável pela formação dos anéis de actina.

O ajuste fino desses parâmetros em células vivas não é possível, então os pesquisadores recorreram a um software de simulação chamado MEDYAN, desenvolvido pelo Papoian Lab. O MEDIYAN usa regras de física e química para simular a dinâmica das proteínas do citoesqueleto. Eles simularam uma rede de actina e miosina (referidas coletivamente como actomiosina) em um disco fino e uma concha esférica.

Eles descobriram que se os trens de actina se movem lentamente, a força de tração da miosina causa engarrafamentos, que são os aglomerados de actomiosina que foram observados em redes reconstituídas fora das células. Por outro lado, se os trens de actina se moverem rapidamente, eles podem escapar da atração da miosina. Uma vez que atingem o limite do disco, a força de tração da miosina faz com que os trens de actina girem, evitando uma colisão frontal com a borda do disco. A ocorrência repetida desses eventos resulta em todos os trens se movendo em círculo ao longo do perímetro do disco, que forma o anel de actina.

Uma análise mais aprofundada oferece uma teoria termodinâmica para explicar por que as células formam anéis e conchas. De acordo com as leis da física, os sistemas favorecem a configuração de energia mais baixa. As proteínas de miosina geram muita energia mecânica dobrando os filamentos de actina , que só podem ser liberados se a actina puder fugir e relaxar. Nas células vivas, a capacidade da actina de se mover rápido o suficiente para escapar da miosina e correr até a borda permite que essa energia acumulada seja liberada, permitindo a formação de anéis ou conchas, que, termodinamicamente falando, é a configuração de energia mais baixa.

"A razão pela qual os anéis não foram vistos anteriormente fora da célula é porque a actina não estava se movendo rápido o suficiente", disse Papoian. "Myosin estava ganhando 10 vezes em 10."

Juntamente com Arpita Upadhyaya, professora de física da UMD com uma nomeação conjunta no IPST, e o estudante de pós-graduação em física Kaustubh Wagh, o estudante de pós-graduação em ciências biológicas Aashli Pathni e o estudante de pós-graduação em biofísica Vishavdeep Vashisht, a equipe começou a testar este modelo em células vivas, transformando seus atenção às células T, onde os anéis se formam naturalmente.

As células T são as células do nosso corpo que caçam células estranhas. Quando eles reconhecem uma célula como estranha e são ativados, o citoesqueleto da célula T rapidamente se reorganiza para formar um anel de actina na interface célula-célula. Começando com células que formaram anéis, os pesquisadores investigaram o efeito de perturbar actina e miosina usando imagens de células vivas de alta resolução.

A redução da velocidade do trem de actina resultou na dissolução do anel em pequenos aglomerados, enquanto o aumento da força de tração da miosina levou à rápida contração do anel, em notável concordância com as simulações associadas.

Como acompanhamento deste estudo, a equipe planeja adicionar mais complexidade ao modelo e incluir outros componentes e organelas do citoesqueleto.

"Conseguimos capturar um aspecto fundamental da organização do citoesqueleto", disse Papoian. “Peça por peça, planejamos construir um modelo computacional de uma célula completa usando princípios fundamentais da física e da química”.