O mundo dentro da célula humana tornou-se um pouco mais interessante nos últimos anos, à medida que o papel de uma nova estrutura biológica se tornou mais claro.
Por muito tempo se acreditou que as operações mais importantes na célula ocorrem dentro das organelas. “Eles estão lá para fazer certas funções. Por exemplo, as mitocôndrias geram a energia com a qual tudo funciona”, explicou Aleksei Aksimentiev, professor de física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. “O que é comum a todos eles é que eles estão rodeados por uma membrana lipídica. O que as pessoas descobriram recentemente é que existem organelas que não têm bicamadas lipídicas. Elas se agrupam espontaneamente na forma de gotículas. E essas organelas têm funções específicas . ”
Nos últimos anos, com a melhoria dos recursos de imagem, os papéis, a ocorrência e o comportamento dessas organelas sem membrana tornaram-se mais claros. Em 2017, eles receberam um nome: condensados biológicos. Acredita-se que eles desempenhem um papel no reparo e no envelhecimento do DNA, e os pesquisadores acreditam que uma série de doenças neurológicas estão relacionadas ao condensado não funcionar corretamente, incluindo a esclerose lateral amiotrófica, ou ELA, onde as células nervosas se rompem, levando à perda da função muscular .
“Digamos que você tenha DNA e de repente tenha uma quebra. Geralmente é uma coisa muito ruim, porque não pode se replicar, mas há uma máquina que virá e o consertará”, explicou. “Uma bolha de condensado se forma que milagrosamente atrai apenas as moléculas necessárias para reparar o DNA. Existem todos os tipos de condensados diferentes e todos eles recrutam as moléculas certas de alguma forma.”
Como essas organelas sem membrana se formam espontaneamente? E como eles recrutam outras moléculas para ajudá-los?
A física desse processo parece semelhante à separação de fases, como a forma como óleo e água formam gotículas espontaneamente nas condições certas, mas com algumas diferenças. Na separação de fase normal, a temperatura geralmente motiva a separação. Em biologia, é uma mudança nas concentrações.
“Não sabemos exatamente como funciona”, disse Aksimentiev. “Estou especificamente interessado em como esse recrutamento acontece e como as moléculas reconhecem outras moléculas.”
Aksimentiev está usando o supercomputador Frontera do Texas Advanced Computing Center (TACC), um dos mais rápidos do mundo, para entender melhor esse processo. Ao longo da última década, ele e outros desenvolveram as ferramentas e métodos para explorar o comportamento de sistemas biológicos em nível atômico usando simulações de dinâmica molecular.
Aksimentiev é capaz de simular sistemas biológicos com milhões de átomos interagindo em um ambiente realista por microssegundos ou até milissegundos – as escalas de tempo em que os sistemas biológicos operam. Os supercomputadores de hoje permitem simulações maiores e mais rápidas e permitem que os cientistas façam e respondam novas perguntas.
Mesmo para os padrões da área, os condensados biológicos são um desafio para estudar computacionalmente. Ao contrário de outros sistemas ordenados, como proteínas com estruturas rígidas conhecidas, ou sistemas desordenados como a água, os condensados biológicos são conhecidos como “parcialmente desordenados” – um tipo de estrutura particularmente difícil de simular.
Escrevendo no Journal of Physical Chemistry Letters em maio de 2020, Aksimentiev e o estudante graduado Han-Yi Chou descreveram simulações de dinâmica molecular de granulação grossa em Frontera que traçaram o diagrama de fase (uma representação gráfica dos estados físicos de uma substância sob diferentes condições de temperatura e pressão) de um condensado biomolecular específico – fundido no sarcoma (FUS). Uma proteína de ligação de DNA / RNA nuclear, FUS regula diferentes etapas da expressão gênica, incluindo transcrição, splicing e transporte de mRNA. A pesquisa foi apoiada por doações da National Science Foundation e do National Institutes of Health.
Os pesquisadores mostraram que um modelo de dinâmica molecular baseado em partículas pode reproduzir propriedades de separação de fases conhecidas de um condensado FUS, incluindo sua concentração crítica e suscetibilidade a mutações.
Eles também mostraram que poderiam usar a teoria do colapso em cadeia para determinar as propriedades termodinâmicas do condensado e vinculá-las a mudanças na forma de moléculas de condensado individuais.
O comportamento de um condensado biológico, com todas as suas complexas interações inter e intramoleculares, pode ser descrito por um modelo de física de polímero, eles descobriram. Isso torna a modelagem por computador uma ferramenta útil para descobrir o comportamento desses atores celulares ainda misteriosos.
A pesquisa de Aksimentiev prepara o terreno para estudos futuros que irão elucidar os mecanismos moleculares que impulsionam a formação de gotículas em condensados biológicos mais complexos, como aqueles que reparam o RNA. O trabalho é um passo em um longo caminho para elucidar totalmente o mistério dos condensados biológicos nas células – outro truque da natureza lentamente descoberto.
Publicado em 11/09/2020 12h26
Artigo original:
Estudo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: