Cientistas descobrem evidências de um estado previamente desconhecido envolvendo um dos íons mais comuns na Terra.
Durante uma investigação direta sobre o processo de montagem de aglomerados de fosfato de cálcio, uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e da Universidade de Nova York se deparou com uma descoberta inesperada: os íons de fosfato na água têm uma tendência a alternar entre seus frequentemente observados estado hidratado e um estado “escuro” previamente desconhecido e misterioso.
Os pesquisadores acreditam que esse comportamento recém-descoberto tem implicações significativas para a compreensão da função dos íons de fosfato na biocatálise, no balanço de energia dentro das células e na criação de biomateriais. O estudo foi publicado recentemente na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
“O fosfato está em toda parte”, disse o professor de química da UCSB Songi Han, um dos autores de um artigo na Proceedings of the National Academy of Sciences. O íon consiste em um átomo de fósforo rodeado por quatro átomos de oxigênio. “Está em nosso sangue e em nosso soro”, continuou Han. “Está no buffer de todo biólogo, está em nosso DNA e RNA.” É também um componente estrutural de nossos ossos e membranas celulares, acrescentou ela.
Quando ligados ao cálcio, os fosfatos formam pequenos aglomerados moleculares a caminho de formar depósitos minerais nas células e nos ossos. Isso é o que Han e os colaboradores Matthew Helgeson da UCSB e Alexej Jerschow da NYU estavam se preparando para estudar e caracterizar, na esperança de descobrir comportamentos quânticos em aglomerados de fosfato simétricos propostos pelo professor de física da UCSB, Matthew Fisher. Mas, primeiro, os pesquisadores tiveram que estabelecer experimentos de controle, que envolveram varreduras de íons de fosfato na ausência de cálcio por meio de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) e microscopia eletrônica de transmissão criogênica (crio-TEM).
Mas como os alunos da UCSB e da NYU no projeto estavam coletando dados de referência, que envolviam o isótopo 31 de ocorrência natural em soluções aquosas em várias concentrações e temperaturas, seus resultados não correspondiam às expectativas. Por exemplo, disse Han, a linha que representa o espectro para 31P durante as varreduras de NMR deve se estreitar com o aumento das temperaturas.
“A razão é que, conforme você vai para temperaturas mais altas, as moléculas caem mais rápido”, explicou ela. Normalmente, esse movimento molecular rápido compensaria as interações anisotrópicas, ou interações que dependem das orientações relativas dessas pequenas moléculas. O resultado seria um estreitamento das ressonâncias medidas pelo instrumento NMR.
“Esperávamos um sinal de NMR de fósforo, que é simples, com um pico que se estreita com temperaturas mais altas”, disse ela. “Surpreendentemente, porém, medimos espectros que estavam se ampliando, fazendo o oposto do que esperávamos.”
Esse resultado contra-intuitivo colocou a equipe em um novo caminho, seguindo experimento após experimento para determinar sua causa em nível molecular. A conclusão, depois de um ano eliminando uma hipótese atrás da outra? Os íons de fosfato estavam formando aglomerados sob uma ampla gama de condições biológicas – aglomerados que evitavam a detecção espectroscópica direta, o que provavelmente explica por que não haviam sido observados antes. Além disso, as medições sugeriram que esses íons estavam alternando entre um estado visível “livre” e um estado escuro “montado”, daí o alargamento do sinal em vez de um pico agudo.
Além disso, à medida que a temperatura aumentava, o número desses estados reunidos também aumentava, outro comportamento dependente da temperatura, de acordo com o coautor Mesopotamia Nowotarski.
“A conclusão desses experimentos foi que os fosfatos estão desidratando e isso permite que eles se aproximem”, disse ela. Em temperaturas mais baixas, a grande maioria desses fosfatos em solução se apega às moléculas de água que formam uma camada protetora de água ao seu redor. Esse estado hidratado é normalmente assumido quando se considera como o fosfato se comporta em sistemas biológicos. Mas em temperaturas mais altas, Nowotarski explicou, eles perdem seus escudos de água, permitindo que grudem uns nos outros. Este conceito foi confirmado por experimentos de NMR que sondaram a casca de água de fosfato e validados posteriormente pela análise de imagens crio-TEM para identificar a existência de aglomerados, bem como modelar a energia da montagem de fosfato pelo co-autor Joshua Straub.
Esses conjuntos dinâmicos de fosfato e cascas de hidratação têm implicações importantes para a biologia e a bioquímica, de acordo com os pesquisadores. Fosfato, disse o engenheiro químico Matthew Helgeson, é uma “moeda” comumente entendida usada em sistemas biológicos para armazenar e consumir energia por meio da conversão em trifosfato de adenosina (ATP) e difosfato de adenosina (ADP). “Se fosfato hidratado, ADP e ATP representam pequenas ‘cédulas’ de moeda, essa nova descoberta sugere que essas moedas menores podem ser trocadas por denominações muito maiores – digamos $ 100 – que podem ter interações muito diferentes com processos bioquímicos do que os mecanismos atualmente conhecidos”, ele disse.
Além disso, muitos componentes biomoleculares incluem grupos fosfato que podem, de forma semelhante, formar aglomerados. Portanto, a descoberta de que esses fosfatos podem se montar espontaneamente pode lançar alguma luz sobre outros processos biológicos fundamentais, como a biomineralização – como as conchas e os esqueletos se formam, bem como as interações das proteínas.
“Também testamos uma variedade de fosfatos, incluindo aqueles incorporados à molécula de ATP, e todos parecem mostrar o mesmo fenômeno, e alcançamos análises quantitativas para esses conjuntos”, disse o coautor Jiaqi Lu.
Esse processo antes negligenciado também pode ser significativo nos domínios da sinalização celular, metabolismo e processos de doenças como a doença de Alzheimer, onde a ligação de um grupo fosfato, ou fosforilação, à proteína tau em nosso cérebro é comumente encontrada em emaranhados neurofibrilares – um marca registrada da neurodegeneração. Tendo visto e estudado esse comportamento de montagem, a equipe agora está se aprofundando, com estudos sobre o efeito do pH na montagem de fosfato, tradução genética e montagem de proteína modificada, bem como seu trabalho original na montagem de fosfato de cálcio.
“Isso realmente muda a maneira como pensamos sobre o papel dos grupos de fosfato que normalmente não consideramos um condutor da montagem molecular”, disse Han.
Publicado em 05/02/2023 09h05
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