Os sistemas de sinalização molecular de células complexas não são nada como circuitos eletrônicos simples. A lógica que governa sua operação é extremamente complexa – mas tem vantagens.
Em 2000, quando Michael Elowitz do California Institute of Technology ainda era um estudante de graduação na Princeton University, ele realizou um feito notável no jovem campo da biologia sintética: ele se tornou um dos primeiros a projetar e demonstrar um tipo de funcionamento ” circuito “em células vivas. Ele e seu mentor, Stanislas Leibler, inseriram um conjunto de genes na bactéria Escherichia coli que induziu oscilações controladas na produção das células de uma proteína fluorescente, como um oscilador em um circuito eletrônico.
Foi uma ilustração brilhante do que o biólogo e ganhador do Prêmio Nobel François Jacob chamou de “lógica da vida”: um fluxo rigidamente controlado de informações dos genes às características que as células e outros organismos exibem.
Mas essa visão lúcida da lógica de circuito, que funcionou tão elegantemente em bactérias, muitas vezes falha em células mais complexas. “Nas bactérias, proteínas únicas regulam as coisas”, disse Angela DePace, bióloga de sistemas da Harvard Medical School. “Mas em organismos mais complexos, você envolve muitas proteínas de uma forma mais analógica.”
Recentemente, ao observar de perto as interações de proteínas dentro de uma via de desenvolvimento chave que molda os embriões de humanos e outros animais complexos, Elowitz e seus colegas de trabalho tiveram um vislumbre de como é realmente a lógica da vida complexa. Essa via é uma profusão de promiscuidade molecular que faria corar um libertino, onde as moléculas componentes podem se unir em muitas combinações diferentes. Pode parecer fútil esperar que essa dança caótica possa transmitir qualquer sinal coerente para direcionar o destino de uma célula. No entanto, esse tipo de acoplamento desordenado entre biomoléculas pode ser a norma, não uma exceção esquisita. Na verdade, pode ser por isso que a vida multicelular funciona.
“Os circuitos de comunicação célula-célula biológica, com suas famílias de ligantes e receptores que interagem promiscuamente, parecem uma bagunça e usam uma arquitetura que é o oposto do que nós, biólogos sintéticos, poderíamos ter projetado”, disse Elowitz.
No entanto, esse aparente caos de componentes em interação é, na verdade, um sofisticado sistema de processamento de sinais que pode extrair informações de maneira confiável e eficiente de complicados coquetéis de moléculas de sinalização. “Compreender a linguagem combinatória natural das células pode nos permitir controlá-las com uma especificidade muito maior do que temos agora”, disse ele.
A imagem emergente faz mais do que reconfigurar nossa visão do que as biomoléculas em nossas células estão fazendo enquanto constroem um organismo – que lógica elas seguem para criar vida complexa. Também pode nos ajudar a entender por que os seres vivos são capazes de sobreviver em face de um ambiente imprevisível e por que essa aleatoriedade permite a evolução em vez de frustrá-la. E poderia explicar por que a medicina molecular costuma ser tão difícil: por que muitos medicamentos candidatos não fazem o que esperávamos e como poderíamos fazer alguns que o fizessem.
Mensageiros, não as mensagens
Se você estivesse projetando uma máquina ou um circuito eletrônico, seria tolice modelá-lo com base em uma célula. Os componentes das células, em sua maioria, não são cuidadosamente organizados e montados, mas, em vez disso, apenas flutuam e se misturam dentro da membrana celular como uma multidão rebelde e agitada. No entanto, de alguma forma, funciona.
A explicação tradicional e organizada é que, embora as moléculas de proteína que compõem a maioria das partes funcionais de uma célula estejam constantemente se chocando umas com as outras, elas tratam quase todos esses encontros com indiferença. Somente quando uma proteína encontra outra molécula que se mescla exatamente com uma parte primorosamente esculpida de sua superfície, as duas se unem e interagem. Esses processos de reconhecimento molecular preciso mantêm linhas claras de comunicação dentro das células e as mantêm funcionando.
O único problema com essa história é que ela está errada. Embora muitas proteínas exibam reconhecimento molecular seletivo, algumas das mais centrais para o funcionamento de nossas células eucarióticas são muito menos exigentes.
Considere as proteínas do fator de crescimento chamadas BMPs, que regulam como as células se proliferam e se diferenciam em vários tecidos, direcionando-as para ligar e desligar conjuntos de genes. Seu nome vem de “proteína morfogenética óssea”, porque o primeiro gene conhecido para uma foi originalmente pensado para codificar uma proteína envolvida na formação óssea.
Mas embora esteja realmente envolvido nisso – disfunções na produção de BMP estão implicadas em doenças de crescimento ósseo – a ideia de que o crescimento ósseo é a função das proteínas BMP há muito se provou ilusória. Um tipo de BMP está envolvido no processo de desenvolvimento chamado gastrulação, que acontece cerca de 14 dias após a fertilização em embriões humanos, quando as células começam a se especializar em diferentes tipos de tecido e o embrião muda de um aglomerado de células para uma estrutura muito mais complexa. Posteriormente, as BMPs também são expressas na cartilagem, nos rins, nos olhos e no cérebro inicial e orientam o desenvolvimento desses tecidos.
A realidade é que a função dos BMPs não pode ser definida por seus efeitos no fenótipo (ou seja, nas características). Eles mediam as comunicações entre as células, mas o que essa comunicação desencadeia pode ser totalmente diferente em diferentes tipos de células ou no mesmo tipo de célula em um estágio diferente de desenvolvimento. BMPs são mensageiros, não as mensagens.
O que Elowitz e outros estão trazendo à luz agora é como os BMPs usam esse truque de ser tão inconstante, ao mesmo tempo que se comportam de maneira previsível para que os organismos apostem suas vidas neles. Essas qualidades parecem emergir de camadas sobre camadas de complexidade na composição do sistema BMP e das afinidades flexíveis e variáveis desses elementos entre si. Paradoxalmente, a complexidade torna o sistema mais preciso e confiável.
Os mamíferos têm genes que codificam 11 ou mais proteínas BMP distintas, cada uma com uma estrutura ligeiramente diferente. As BMPs atuam em pares ligados, ou dímeros, da mesma proteína ou de proteínas diferentes e, em alguns casos, esses dímeros também se emparelham, multiplicando ainda mais as variações. A família das proteínas BMP adere a uma família associada de proteínas receptoras – e esses receptores também são feitos de subunidades que se encaixam em pequenos grupos, normalmente quatro de cada vez. É todo esse agrupamento de moléculas que ativa os fatores de transcrição ligando e desligando genes e desencadeando um efeito a jusante na célula hospedeira.
Não é simplesmente o caso, no entanto, que cada dímero BMP tem receptores designados aos quais se liga como uma fechadura e uma chave. Na verdade, essas moléculas não são extremamente exigentes: cada dímero de BMP pode aderir a vários pares diferentes de subunidades de receptor com vários graus de avidez. É um sistema combinatório, no qual os componentes podem ser montados de várias maneiras: menos como fechaduras e chaves, mais como blocos de Lego.
As permutações possíveis são exaustivas de contemplar. Como pode o caminho BMP entregar uma diretiva específica para guiar o destino de uma célula? Com tanta complexidade, “foi preciso um pouco de pensamento não convencional para abordar o problema”, disse James Linton, um cientista pesquisador do grupo de Elowitz.
A equipe do Caltech, junto com Yaron Antebi, um ex-pós-doutorado com Elowitz que agora está no Instituto Weizmann de Ciência em Israel, realizou estudos experimentais e computacionais para caracterizar as propensões de ligação entre as 10 principais formas de BMPs em mamíferos e sete subunidades de receptores em dois tipos de células de camundongo. Isso envolveu o estudo de muitas combinações, mas um sistema robótico automatizado para realizar as reações em culturas de células tornou isso possível.
As interações, embora promíscuas, estavam longe de ser “vale tudo”. Certos BMPs tiveram efeitos quase intercambiáveis, mas outros não. Em alguns casos, um BMP mais duas subunidades de receptor funcionou bem como uma montagem de três componentes diferentes. Uma montagem pode funcionar bem com um BMP trocado por outro, mas apenas se o receptor permanecer o mesmo. Às vezes, dois componentes trocados tinham efeitos independentes e seu efeito combinado era uma soma simples. Às vezes, os efeitos se reforçavam mutuamente ou se anulavam.
Em geral, os BMPs podem ser classificados em grupos de equivalentes. “Classificamos dois BMPs como equivalentes se eles tiverem o mesmo padrão de interação com todos os outros BMPs”, disse Elowitz. Mas essas relações de equivalência não eram fixas – elas variavam com os tipos de células e a configuração dos receptores que as células expressavam. Um par de BMPs pode substituir um ao outro em um tipo de célula, mas não em outro. Esta descoberta está de acordo com as observações de outros pesquisadores de que, por exemplo, a proteína BMP9 pode substituir a BMP10 no caminho para a formação de vasos sanguíneos, mas não no caminho para o desenvolvimento do coração.
Mais especificidade de menos sinais
Por que a sinalização BMP funciona de uma maneira que parece tão desnecessariamente complicada? A equipe do Caltech especula que pode dar aos organismos mais com menos. Modelagem matemática por membros do grupo – Christina Su na Caltech, Antebi em Israel e Arvind Murugan na Universidade de Chicago – mostrou que um sistema promíscuo de interações oferece uma gama de vantagens potenciais sobre as interações moleculares um-para-um.
Em particular, em sistemas onde os ligantes se ligam exclusivamente aos receptores, o número de tipos de ligantes limita quantos tipos de células ou alvos diferentes podem ser endereçados de forma exclusiva. Em um sistema combinatório, diferentes emparelhamentos entre um pequeno número de ligantes e receptores podem especificar um número muito maior de alvos. As diferenças entre os pares também permitem efeitos graduais, em vez de uma resposta tudo ou nada.
“Nossa hipótese de trabalho é que essas combinações ligante-receptor têm o potencial de ser mais específicas para o tipo de célula do que moléculas individuais”, disse Elowitz.
Um sistema combinatório, portanto, oferece mais opções para endereçar células e pode produzir padrões de células mais complexos. Essa versatilidade é importante para a construção de organismos que contêm muitos tipos de células em configurações precisas. Mesmo com um pequeno repertório de moléculas sinalizadoras, um grupo de células do embrião pode ser instruído a se tornar cartilagem, digamos, enquanto outro grupo se torna osso e outros têm outros destinos.
As muitas combinações possíveis podem criar alguma imprecisão nas fronteiras entre as regiões, mas Linton especula que elas podem ser aprimoradas operando em conjunto com outros sistemas de sinalização. Uma via que envolve a família de proteínas chamada Wnt, por exemplo, muitas vezes parece operar junto com a sinalização de BMP. “Se você encontrar o BMP funcionando em algum lugar, é muito provável que encontre o Wnt”, disse Linton. Às vezes, as vias são mutuamente antagônicas e às vezes se potencializam. Se a via Wnt seguir regras combinatórias semelhantes – uma possibilidade que ainda precisa ser explorada experimentalmente, destaca Elowitz – então BMP e Wnt podem ajudar a refinar a sinalização um do outro.
Elowitz e seus colegas pensam que, dessa forma, esses tipos de regras combinatórias poderiam representar um “princípio de design” amplamente difundido da fiação molecular das células.
O biólogo de sistemas Galit Lahav, da Harvard Medical School, concorda que tal sistema faz muito sentido. Ela se pergunta se algo semelhante pode se aplicar ao gene p53, que é central para controlar os ciclos de replicação e divisão das células e muitas vezes está implicado em cânceres. A proteína p53 desempenha vários papéis diferentes na sinalização celular e se liga a muitas outras moléculas.
O princípio combinatório também pode se estender a situações além do crescimento e desenvolvimento celular. Linton vê um paralelo vago com o que parece acontecer no sistema olfatório: os humanos têm cerca de 400 tipos de proteínas receptoras que revestem as membranas do bulbo olfatório no nariz, e esses receptores podem discriminar coletivamente um grande número de odores. Isso não seria possível se cada molécula odorífera tivesse que ser reconhecida exclusivamente por seu próprio receptor dedicado. Em vez disso, os receptores parecem se ligar promiscuamente a odorantes com diferentes afinidades, e o sinal de saída enviado ao centro do olfato do cérebro é então determinado por regras combinatórias.
Usando o ruído para sua vantagem
A evidência de que as interações de proteínas, moléculas de RNA e sequências genômicas de DNA envolvidas na regulação celular são flexíveis e promíscuas tornou-se cada vez mais prevalente na última década. Eles aparecem em uma ampla gama de sistemas em toda a biologia. “Dado que a promiscuidade não precisava existir, mas é onipresente, a suposição mais simples e razoável é que ela está fornecendo alguma capacidade funcional”, disse Elowitz.
Ele acha que essa capacidade é, na raiz, processamento de informações. “Assim como os neurônios conectados por meio de axônios e dendritos podem realizar processamento de informações complexas, as proteínas também podem ser conectadas por meio de interações bioquímicas”, disse ele. É uma percepção que outros cientistas também tiraram de seus estudos de redes bioquímicas.
Heidi Klumpe, membro do grupo de Elowitz que conduziu grande parte do trabalho experimental no sistema BMP, compara-o à maneira como as redes neurais funcionam: não atribuindo funções fixas a determinados componentes da rede, mas permitindo que as funções surjam de muitas conexões . “Achamos que as células estão fazendo uma computação mais complexa do que se pensava”, disse ela.
“O que estamos tentando fazer agora é descobrir precisamente que tipos de funções esses sistemas realmente calculam”, disse Elowitz, “e quais recursos de nível superior esses cálculos permitem”.
O biólogo evolucionista Andreas Wagner, da Universidade de Zurique, concorda que a ideia de que um sistema promíscuo como esse foi selecionado porque confere alguma vantagem está “certa”. Que esse benefício possa estar em sua versatilidade é “uma possibilidade intrigante que provavelmente já passou pela cabeça de qualquer pessoa que pensou seriamente sobre esse problema”, disse ele.
Mas ele acrescenta que “há outra possibilidade, mais mundana”: talvez seja a única maneira de um sistema complicado como as células de organismos multicelulares funcionar. “Os sistemas celulares são muito barulhentos”, disse Wagner; encontros moleculares no ambiente lotado e agitado dentro das células são imprevisíveis, e as quantidades de proteínas produzidas de momento a momento flutuam aleatoriamente. Uma célula na qual cada componente é conectado especificamente a outro seria altamente vulnerável a essas variações incontroláveis. Ele se comportaria como se os elementos do circuito continuassem entrando e saindo aleatoriamente da rede.
Além disso, cada vez que uma célula se divide, não há garantia de que os circuitos serão reproduzidos com exatidão devido a erros de cópia aleatória na replicação do DNA. “Um sistema como esse pode ser extremamente sensível a mutações que alteram suas propriedades”, disse Wagner. “Juntos, todos esses custos podem ser proibitivos.”
Consequentemente, as células podem ter evoluído adaptações que usam o ruído a seu favor, e o modelo de Elowitz da lógica combinatória de redes regulatórias “pode ser um exemplo de tal adaptação”, disse Wagner. “As células podem ter sistemas desleixados cujo poder emerge do tipo certo de combinatória.”
“Os sistemas biológicos são geralmente muito mais robustos do que imaginamos”, disse Meng Zhu, biólogo do desenvolvimento da Harvard Medical School. Os pesquisadores costumam descobrir que, quando desativam experimentalmente um gene que parece crítico para a sobrevivência, o organismo mal parece notar: ele reajusta as interações e os caminhos em suas redes de genes e proteínas para compensar. A redundância e a função compensatória de proteínas relacionadas, como visto no sistema BMP, pode ser uma parte fundamental dessa capacidade, diz ela.
Zhu acredita que redes de proteínas promíscuas e altamente interconectadas também podem promover a capacidade dos organismos de adquirir novas capacidades úteis por meio da evolução. “Um sistema com maior conectividade tende a desenvolver novas funções com mais facilidade”, disse ela, porque pode tolerar melhor mutações deletérias em seus componentes.
Por outro lado, se todas as interações entre os componentes moleculares são muito bem ajustadas, “é muito difícil fazer algo novo”, disse Ard Louis, um físico que trabalha com problemas de complexidade biológica na Universidade de Oxford. Qualquer mudança nesses componentes, mesmo que pareça vantajosa, provavelmente interromperá alguma função existente e possivelmente vital.
A ligação promíscua que permite que uma proteína se substitua por outra pode, portanto, permitir que a rede adquira novas funções sem perder as antigas. Wagner, trabalhando com Joshua Payne no Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, encontrou apoio para esta ideia: Eles mostraram que a ligação promíscua de fatores de transcrição pode promover a robustez a mutações e a capacidade de desenvolver novas funções.
Portanto, pode ser que um sistema combinatório de ligação de ligantes crie mais opções para as células e dê aos organismos mais evolutividade e robustez contra o ruído. A evolução pode ter organizado grande parte da bioquímica da célula para ser muito menos sensível aos detalhes do que os pesquisadores pensavam.
“Acho que sistemas biológicos evoluídos e barulhentos estão cheios de detalhes, mas muitos deles são irrelevantes”, disse Klumpe. “Além disso, pode não ser um detalhe específico que importa, mas sim a conservação de alguma função de nível superior” – como a exigência de que os fatores de transcrição se liguem com algum nível de força para ativar a expressão gênica.
O circuito é muito simples
Esse tipo de “desleixo” nas redes biomoleculares pode ter consequências importantes para o desenvolvimento de medicamentos. “Um dos desafios da medicina comum é que os medicamentos podem ser muito específicos para uma proteína-alvo, mas essa proteína-alvo pode ser inespecífica em termos dos tipos de células em que é expressa”, disse Elowitz. Você pode ser capaz de atingir uma proteína alvo com muita precisão, mas ainda não sabe que efeito isso terá em diferentes tecidos – se houver. O trabalho da equipe de Elowitz sugere que as drogas podem precisar ser mais do que “balas mágicas” de uma única molécula: elas podem ter que atingir diferentes combinações de alvos específicos de tecido para induzir a resposta desejada.
Seja qual for a razão de seus princípios combinatórios, o sistema de sinalização BMP mostra que as células não são como as máquinas que nós humanos fazemos. “E pode ser que isso seja verdade para muitos sistemas biológicos”, disse Linton. “Se você fizer analogias simples com a eletrônica, ficará aquém.”
Isso torna um desafio não apenas falar sobre sistemas biológicos, mas também entendê-los e projetá-los. As analogias eletrônicas podem ser apropriadas para sistemas relativamente simples, como as bactérias nas quais Elowitz e Leibler trabalharam 20 anos atrás, mas quando os organismos vivos se tornam mais complicados – e em particular quando se tornam multicelulares, com células geneticamente idênticas que trabalham juntas em diversos organismos especializados estados – regras diferentes podem ser aplicadas.
O princípio operacional exemplificado pelo sistema BMP pode ser “algo que surgiu na natureza como uma forma de dar origem à multicelularidade e a tecidos mais complexos”, disse Linton. É até possível, sugere ele, que “esta foi a inovação que permitiu o surgimento de organismos como nós”.
Talvez, então, as analogias mais úteis de como as células funcionam sejam elas próprias biológicas, como o olfato ou a cognição. Talvez a única maneira de entender verdadeiramente a vida seja referindo-se a ela mesma.
Publicado em 26/12/2021 17h45
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/biologists-rethink-the-logic-behind-cells-molecular-signals-20210916/