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Protea­na 'big bang' revela composição molecular para medicina e bioengenharia
Os pesquisadores compilaram sequaªncias e estruturas de milhões de sequaªncias de protea­nas codificadas em centenas de genomas em todos os grupos taxona´micos, incluindo organismos superiores e micróbios.
Por Lauren Quinn - 01/07/2021


Gustavo Caetano-Anolles rodeado pela representação de redes moleculares. Crédito: Fred Zwicky.

As protea­nas tem tomado controle silencioso sobre nossas vidas desde o ini­cio da pandemia de COVID-19. Temos vivido ao sabor da protea­na chamada "pico" do va­rus, que sofreu mutações dezenas de vezes para criar variantes cada vez mais mortais. Mas a verdade éque sempre fomos governados por protea­nas. Nonívelcelular, eles são responsa¡veis ​​por quase tudo.

As protea­nas são tão fundamentais que o DNA - o material genanãtico que torna cada um de nosaºnico - éessencialmente apenas uma longa sequaªncia de projetos de protea­nas . Isso éverdade para animais, plantas, fungos, bactanãrias, arqueas e atémesmo va­rus. E assim como esses grupos de organismos evoluem e mudam com o tempo, o mesmo acontece com as protea­nas e suas partes componentes.

Um novo estudo de pesquisadores da Universidade de Illinois, publicado na Scientific Reports , mapeia a história evolutiva e as inter-relações dos doma­nios das protea­nas, as subunidades das moléculas de protea­nas, ao longo de 3,8 bilhaµes de anos.

"Saber como e por que os doma­nios se combinam em protea­nas durante a evolução pode ajudar os cientistas a entender e projetar a atividade das protea­nas para aplicações em medicina e bioengenharia. Por exemplo, esses insights podem orientar o gerenciamento de doena§as, como fazer vacinas melhores com a protea­na spike de COVID-19 va­rus ", diz Gustavo Caetano-Anollanãs, professor do Departamento de Ciências da Colheita, afiliado do Instituto Carl R. Woese de Biologia Gena´mica em Illinois, e autor saªnior do artigo.

Caetano-Anollanãs estudou a evolução das mutações COVID desde os primeiros esta¡gios da pandemia, mas essa linha do tempo representa uma fração minaºscula do que ele e o estudante de doutorado Fayez Aziz fizeram em seu estudo atual.

Os pesquisadores compilaram sequaªncias e estruturas de milhões de sequaªncias de protea­nas codificadas em centenas de genomas em todos os grupos taxona´micos, incluindo organismos superiores e micróbios. Eles se concentraram não em protea­nas inteiras, mas em doma­nios estruturais.

“A maioria das protea­nas écomposta por mais de um doma­nio. Sa£o unidades estruturais compactas, ou ma³dulos, que abrigam funções especializadas”, diz Caetano-Anollanãs. "Mais importante, eles são as unidades de evolução."

Depois de classificar as protea­nas em doma­nios para construir a¡rvores evolutivas, eles começam a trabalhar construindo uma rede para entender como os doma­nios se desenvolveram e foram compartilhados entre as protea­nas ao longo de bilhaµes de anos de evolução.

"Construa­mos uma sanãrie de redes temporais que descrevem como os doma­nios se acumularam e como as protea­nas reorganizaram seus doma­nios durante a evolução. Esta éa primeira vez que tal rede de 'organização de doma­nio' foi estudada como uma cronologia evolutiva", diz Fayez Aziz. "Nossa pesquisa revelou que háuma vasta rede em evolução que descreve como os doma­nios se combinam nas protea­nas."

Cada link da rede representa um momento em que um determinado doma­nio foi recrutado para uma protea­na, normalmente para desempenhar uma nova função.

"Este fato por si são sugere fortemente que o recrutamento de doma­nio éuma força poderosa na natureza", diz Fayez Aziz. A cronologia também revelou quais doma­nios contribua­am com funções importantes de protea­nas. Por exemplo, os pesquisadores foram capazes de rastrear as origens dos doma­nios responsa¡veis ​​pelo sensoriamento ambiental, bem como metaba³litos secunda¡rios, ou toxinas usadas nas defesas de bactanãrias e plantas.

“Isso poderia ajudar a identificar, por exemplo, por que variações estruturais e recombinações gena´micas ocorrem com frequência no SARS-CoV-2”

Caetano-Anollanãs.

A análise mostrou que os doma­nios começam a se combinar no ini­cio da evolução da protea­na, mas também houve períodos de crescimento explosivo da rede. Por exemplo, os pesquisadores descrevem um "big bang" de combinações de doma­nio há1,5 bilha£o de anos, coincidindo com o surgimento de organismos multicelulares e eucariotos, organismos com núcleos ligados por membrana que incluem humanos.

A existaªncia de big bangs biola³gicos não énova. A equipe de Caetano-Anollanãs relatou anteriormente a origem massiva e precoce do metabolismo, e recentemente eles o encontraram novamente ao rastrear a história das redes metaba³licas.

O registro hista³rico de um big bang que descreve a colcha de retalhos evolutiva das protea­nas fornece novas ferramentas para entender a composição das protea­nas.

“Isso poderia ajudar a identificar, por exemplo, por que variações estruturais e recombinações gena´micas ocorrem com frequência no SARS-CoV-2”, diz Caetano-Anollanãs.

Ele acrescenta que essa nova forma de entender as protea­nas pode ajudar a prevenir pandemias, dissecando como as doenças virais se originam. Tambanãm pode ajudar a mitigar doena§as, melhorando o desenho de vacinas quando ocorrem surtos.

 

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