Tecnologia Científica

Pesquisadores de Stanford obtêm insights sobre como as células evitam erros na linha de montagem
Os pesquisadores usam uma das técnicas de biologia estrutural mais sofisticadas disponíveis para investigar como as linhas de montagem molecular mantêm seu controle preciso enquanto conduzem moléculas em crescimento por meio de um processo...
Por Rebecca Mcclellan - 05/11/2021

Cada célula é um construtor mestre, capaz de criar moléculas úteis e estruturalmente complexas, uma e outra vez e com surpreendentemente poucos erros. Os cientistas estão ansiosos para replicar esse feito para construir suas próprias fábricas moleculares, mas primeiro, eles precisam entender isso.

Os pesquisadores investigam como as linhas de montagem molecular mantêm
seu controle preciso enquanto conduzem as moléculas em crescimento por
meio de um processo de construção complexo de várias
etapas. (Crédito da imagem: Getty Images)

“Temos milhares dessas linhas de montagem na natureza e todas elas fazem compostos exclusivos”, disse Dillon Cogan , um pós-doutorado no laboratório de Chaitan Khosla , professor de química e engenharia química em Stanford. “O sonho é um dia poder recombinar peças de diferentes linhas de montagem para que possamos fazer compostos úteis não encontrados na natureza. Para fazer isso, precisamos conhecer os princípios 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 mantêm seu controle preciso enquanto conduzem moléculas em crescimento por meio de um processo de construção complexo de várias etapas.

As moléculas em questão são chamadas de policetídeos, categoria que inclui medicamentos e antibióticos. As células sintetizam policetídeos por meio de linhas de montagem molecular chamadas sintases.

Cada sintase contém algo entre três a 30 “módulos”, grupos de proteínas ativas ou enzimas, organizados sequencialmente. Cada módulo é uma estação na linha de montagem que é responsável por adicionar uma peça a uma cadeia molecular crescente e, em seguida, instalar modificações químicas nessa unidade. Passando de um módulo para outro, um policetídeo cresce em tamanho e complexidade até que finalmente rola para fora da correia transportadora em sua forma final.

Khosla, Cogan e colegas se concentraram em um módulo da linha de montagem que produz o antibiótico eritromicina. Eles queriam entender como essa linha de montagem, como outras, sempre consegue empurrar a molécula em crescimento na direção certa, um feito que as leis da termodinâmica 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 é especialista em uma técnica sofisticada chamada microscopia eletrônica criogênica (crio-EM), que captura vários instantâneos de proteínas em movimento em configurações ligeiramente diferentes. Aplicar crio-EM ao módulo da linha de montagem permitiria aos pesquisadores observá-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 é a linha de montagem quando não está processando moléculas. É como um domingo na fábrica da BMW. Queríamos ver a planta em uma segunda-feira ”, disse Khosla, que é o 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 fótons no SLAC, ficou imediatamente intrigado. “Essas são máquinas moleculares incrivelmente complexas. São 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 pós-doutorado em seu laboratório, que fizesse parceria com Cogan para estudar o módulo de linha de montagem no Stanford-SLAC Cryo-Electron Microscopy Facility.

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

A dupla percebeu que a estrutura que estavam observando era na verdade o módulo em ação e que o braço 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 módulo só pode funcionar em duas moléculas de cada vez. Eles chamaram isso de mecanismo de “catraca”, com cada módulo se fechando para cadeias de entrada até que ele libere uma em que esteja trabalhando. Mas o que eles não sabiam era como ele se fechou. Agora, eles acham que esse braço flexionado funciona como o braço da catraca.

O braço da catraca parece ter dois empregos. Primeiro, ele atua como um porteiro e bloqueia fisicamente a entrada de moléculas enquanto uma está sendo processada. Em segundo lugar, a contorção da enzima nessa postura assimétrica requer energia, que é armazenada na flexão do braço. A equipe formulou a hipótese de que o relaxamento do braço de volta ao seu estado “normal”, que libera a energia reprimida, pode ajudar a impulsionar a molécula em construção para o próximo estágio da linha de montagem.

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

A hipótese da equipe de que a assimetria ajuda a conferir seletividade direcional às linhas de montagem é sustentada 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 módulo de uma sintase de policetídeo diferente e observaram uma conformação de braço flexionado assimétrica semelhante.

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

Khosla é bolsista do Instituto Stanford ChEM-H ; o diretor do Acelerador de Medicamentos Inovadores ; e membro da Bio-X , do Maternal & Child Health Research Institute , do Stanford Cancer Institute e do Wu Tsai Neurosciences Institute . Chiu também é membro do corpo docente da Stanford ChEM-H e membro do Bio-X, do Instituto Cardiovascular e do Instituto de Neurociências Wu Tsai. Zhang está agora na Universidade de Ciência e Tecnologia da China. Outros co-autores incluem o ex-aluno de graduação Xiuyuan Li; o ex-pós-doutorado Shanshan Li, agora na Universidade de Ciência e Tecnologia da China; Grigore Pintilie, Cientista Pesquisador em Stanford; o ex-pós-doutorado Soung-Hun Roh, agora da Universidade Nacional de Seul; e Charles Craik, da Universidade da Califórnia em São Francisco.

A pesquisa foi apoiada pelo National Institutes of Health.

 

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