Fibrilação atrial, insuficiência cardíaca e acidente vascular cerebral – a cardiomiopatia hipertrófica pode levar a muitos problemas de saúde graves e é uma das principais causas de morte cardíaca súbita em pessoas com menos de 35 anos.

“O músculo cardíaco é um motor central do corpo humano. Claro, é mais fácil consertar um motor quebrado se você souber como ele é construído e como funciona”, diz Stefan Raunser.

"No início de nossa pesquisa muscular , visualizamos com sucesso a estrutura dos blocos de construção muscular essenciais e como eles interagem usando microscopia eletrônica. No entanto, essas eram imagens estáticas de proteínas retiradas da célula viva. Elas apenas nos dizem pouco sobre como a interação dinâmica e altamente variável dos componentes musculares move o músculo em seu ambiente nativo", diz Raunser.

Os músculos esqueléticos e cardíacos se contraem devido à interação de dois tipos de filamentos proteicos paralelos no sarcômero: finos e grossos. O sarcômero é subdividido em diversas regiões, denominadas zonas e faixas, nas quais esses filamentos estão dispostos de diferentes maneiras. O filamento fino consiste em F-actina, troponina, tropomiosina e nebulina.

O filamento grosso é formado por miosina, titina e proteína C de ligação à miosina (MyBP-C). Esta última pode formar ligações entre os filamentos, enquanto a miosina, a chamada proteína motora, interage com o filamento fino para gerar força e contração muscular. Alterações nas proteínas do filamento grosso estão associadas a doenças musculares. Uma imagem detalhada do filamento grosso seria de imensa importância para o desenvolvimento de estratégias terapêuticas para curar estas doenças, mas tem faltado até agora.

“Se quisermos compreender completamente como o músculo funciona a nível molecular , precisamos de imaginar os seus componentes no seu ambiente natural – um dos maiores desafios da investigação biológica hoje em dia que não pode ser enfrentado pelas abordagens experimentais tradicionais”, diz Raunser.

Para superar esse obstáculo, sua equipe desenvolveu um fluxo de trabalho de criotomografia eletrônica especificamente adaptado à investigação de amostras musculares: os cientistas congelam rapidamente amostras de músculo cardíaco de mamíferos, produzidas pelo grupo Gautel em Londres, a uma temperatura muito baixa (–175 °C). ).

Isto preserva a sua hidratação e estrutura fina e, portanto, o seu estado nativo. Um feixe de íons focado (fresagem FIB) é então aplicado para afinar as amostras até uma espessura ideal de cerca de 100 nanômetros para o microscópio eletrônico de transmissão , que adquire múltiplas imagens conforme a amostra é inclinada ao longo de um eixo.

Finalmente, os métodos computacionais reconstroem uma imagem tridimensional em alta resolução. Nos últimos anos, o grupo de Raunser aplicou com sucesso o fluxo de trabalho personalizado, resultando em duas publicações recentes e inovadoras: Eles produziram as primeiras imagens de alta resolução do sarcômero e de uma proteína muscular até então nebulosa chamada nebulina.

Ambos os estudos fornecem informações sem precedentes sobre a organização 3D das proteínas musculares no sarcômero, por exemplo, como a miosina se liga à actina para controlar a contração muscular e como a nebulina se liga à actina para estabilizá-la e determinar o seu comprimento.

No seu estudo atual, os cientistas produziram a primeira imagem de alta resolução do filamento cardíaco espesso que se estende por várias regiões do sarcômero.

“Com 500 nm de comprimento, esta é a maior e mais longa estrutura já resolvida por crio-ET”, diz Davide Tamborrini do MPI Dortmund, primeiro autor do estudo. Ainda mais impressionantes são os conhecimentos recentemente obtidos sobre a organização molecular do filamento grosso e, portanto, sobre a sua função. A disposição das moléculas de miosina depende da sua posição no filamento.

Os cientistas suspeitam que isso permite que o filamento grosso detecte e processe numerosos sinais de regulação muscular e, assim, regule a força da contração muscular dependendo da região do sarcômero. Eles também revelaram como as cadeias de titina correm ao longo do filamento. As cadeias de titina se entrelaçam com a miosina, agindo como uma estrutura para sua montagem e provavelmente orquestrando uma ativação do sarcômero que depende do comprimento.

"Nosso objetivo é um dia pintar um quadro completo do sarcômero. A imagem do filamento grosso neste estudo é 'apenas' um instantâneo no estado relaxado do músculo. Para entender completamente como o sarcômero funciona e como ele é regulado , queremos analisá-lo em diferentes estados, por exemplo, durante a contração", diz Raunser. A comparação com amostras de pacientes com doenças musculares contribuirá, em última análise, para uma melhor compreensão de doenças como a cardiomiopatia hipertrófica e para o desenvolvimento de terapias inovadoras.

O trabalho está publicado na revista Nature .