Cada canãlula éum construtor mestre, capaz de criar moléculas aºteis e estruturalmente complexas, uma e outra vez e com surpreendentemente poucos erros. Os cientistas estãoansiosos para replicar esse feito para construir suas próprias fa¡bricas moleculares, mas primeiro, eles precisam entender isso.

“Temos milhares dessas linhas de montagem na natureza e todas elas fazem compostos exclusivos”, disse Dillon Cogan , um pa³s-doutorado no laboratório de Chaitan Khosla , professor de química e engenharia química em Stanford. “O sonho éum dia poder recombinar pea§as de diferentes linhas de montagem para que possamos fazer compostos aºteis não encontrados na natureza. Para fazer isso, precisamos conhecer os princa­pios de design que fazem essas coisas funcionarem. ”

Em um estudo publicado em 5 de novembro na Science , pesquisadores da Universidade de Stanford usam uma das mais sofisticadas técnicas de biologia estrutural disponí­veis para investigar como essas linhas de montagem molecular mantem seu controle preciso enquanto conduzem moléculas em crescimento por meio de um processo de construção complexo de várias etapas.

As moléculas em questãosão chamadas de policeta­deos, categoria que inclui medicamentos e antibia³ticos. As células sintetizam policeta­deos por meio de linhas de montagem molecular chamadas sintases.

Cada sintase contanãm algo entre três a 30 “ma³dulos”, grupos de protea­nas ativas ou enzimas, organizados sequencialmente. Cada ma³dulo éuma estação na linha de montagem que éresponsável por adicionar uma pea§a a uma cadeia molecular crescente e, em seguida, instalar modificações químicas nessa unidade. Passando de um ma³dulo para outro, um policeta­deo cresce em tamanho e complexidade atéque finalmente rola para fora da correia transportadora em sua forma final.

Khosla, Cogan e colegas se concentraram em um ma³dulo da linha de montagem que produz o antibia³tico eritromicina. Eles queriam entender como essa linha de montagem, como outras, sempre consegue empurrar a molanãcula em crescimento na direção certa, um feito que as leis da termodina¢mica não podem explicar completamente.

Para isso, eles recorreram a Wah Chiu , professor de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory, que Stanford opera para o Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE). Chiu éespecialista em uma técnica sofisticada chamada microscopia eletra´nica criogaªnica (crio-EM), que captura vários instanta¢neos de protea­nas em movimento em configurações ligeiramente diferentes. Aplicar crio-EM ao ma³dulo da linha de montagem permitiria aos pesquisadores observa¡-lo em várias formas, cada uma correspondendo a uma etapa diferente do processo de linha de montagem, algo que outras técnicas não haviam revelado.

“Eles nos mostraram como éa linha de montagem quando não estãoprocessando molanãculas. a‰ como um domingo na fa¡brica da BMW. Quera­amos ver a planta em uma segunda-feira ”, disse Khosla, que éo Wells H. Rauser e Harold M. Petiprin Professor de Engenharia Quí­mica e Quí­mica em Stanford.

Chiu, o professor Wallenberg-Bienenstock em Stanford e professor de ciência de fa³tons no SLAC, ficou imediatamente intrigado. “Essas são ma¡quinas moleculares incrivelmente complexas. Sa£o tantos os componentes que precisam ser reunidos no lugar certo e na hora certa, de uma forma altamente orquestrada, para que funcionem ”, disse Chiu.

Chiu pediu a Kaiming Zhang, um ex-bolsista de pa³s-doutorado em seu laboratório, que fizesse parceria com Cogan para estudar o ma³dulo de linha de montagem no Stanford-SLAC Cryo-Electron Microscopy Facility.

Depois de muitos anos de trabalho, a dupla vislumbrou algo inesperado. Cada ma³dulo écomposto por um par de enzimas, cada uma com um braa§o molecular que se estende das laterais do ma³dulo. Era amplamente considerado que esses braa§os refletem um ao outro em suas poses. Mas no ma³dulo que Zhang e Cogan examinaram, um braa§o estendido enquanto o segundo braa§o flexionado para baixo.

A dupla percebeu que a estrutura que estavam observando era na verdade o ma³dulo em ação e que o braa§o dobrado poderia ser a chave para a direcionalidade da linha de montagem.

A descoberta também ajudou a resolver outro mistério com o qual o laboratório de Khosla estava lutando. Seu grupo havia descoberto anteriormente que cada ma³dulo são pode funcionar em duas moléculas de cada vez. Eles chamaram isso de mecanismo de “catraca”, com cada ma³dulo se fechando para cadeias de entrada atéque ele libere uma em que esteja trabalhando. Mas o que eles não sabiam era como ele se fechou. Agora, eles acham que esse braa§o flexionado funciona como o braa§o da catraca.

O braa§o da catraca parece ter dois empregos. Primeiro, ele atua como um porteiro e bloqueia fisicamente a entrada de moléculas enquanto uma estãosendo processada. Em segundo lugar, a contorção da enzima nessa postura assimanãtrica requer energia, que éarmazenada na flexa£o do braa§o. A equipe formulou a hipa³tese de que o relaxamento do braa§o de volta ao seu estado “normal”, que libera a energia reprimida, pode ajudar a impulsionar a molanãcula em construção para o pra³ximo esta¡gio da linha de montagem.

“O fato de essas enzimas estarem capturando energia nessas contorções incra­veis e de usarem essa energia para fornecer energia a outra coisa - neste caso, a direção - émuito empolgante”, disse Khosla.

A hipa³tese da equipe de que a assimetria ajuda a conferir seletividade direcional a s linhas de montagem ésustentada por um segundo artigo, publicado na mesma edição da Science . Cientistas da Universidade do Texas em El Paso, Cornell University e SLAC usaram crio-EM e uma técnica chamada cristalografia de raios-X para estudar um ma³dulo de uma sintase de policeta­deo diferente e observaram uma conformação de braa§o flexionado assimanãtrica semelhante.

“O fato de nossos dois grupos terem sido capazes de lidar com este sistema biola³gico complexo éuma prova do enorme investimento que Stanford e SLAC fizeram em infraestrutura de biologia estrutural”, disse Khosla.