doi.org/10.1126/science.adm7607
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#águasvivas
Membranas celulares de águas-vivas revelam um novo tipo de adaptação ao fundo do mar: lipídios curvos que assumem um formato ideal sob pressão.
O fundo do oceano é frio, escuro e está sob extrema pressão. Não é um lugar adequado à fisiologia de nós, moradores da superfície: no ponto mais profundo, a pressão de 36.200 pés de água do mar é maior do que o peso de um elefante em cada centímetro quadrado do seu corpo. No entanto, os lugares mais profundos da Terra abrigam uma vida exclusivamente adequada a essas condições desafiadoras. Os cientistas estudaram como os corpos de alguns animais grandes, como o tamboril e o peixe-gota, se adaptaram para suportar a pressão. Mas muito menos se sabe sobre como as células e moléculas resistem ao peso esmagador de milhares de pés de água do mar.
“Os animais que vivem no fundo do mar não são os que vivem em águas superficiais”, disse Itay Budin (abre uma nova aba), que estuda a bioquímica das membranas celulares na Universidade da Califórnia, San Diego. “Eles são claramente biologicamente especializados. Mas sabemos muito pouco, no nível molecular, sobre o que realmente determina essa especialização.”
Em um estudo recente publicado na Science, pesquisadores fizeram a análise mais profunda até agora(abre uma nova aba) de como as células se adaptaram à vida no abismo. Em 2018, Budin conheceu Steve Haddock(abre uma nova aba), um biólogo de águas profundas, e eles uniram forças para investigar se as membranas celulares – especificamente, as moléculas lipídicas das quais as membranas são feitas – poderiam ajudar a explicar como os animais prosperaram em um ambiente de alta pressão.
Para descobrir, eles se voltaram para as águas-vivas, os animais simples e diáfanos que Haddock estuda no Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) da Califórnia. Liderada por seu aluno Jacob Winnikoff, a equipe interdisciplinar descobriu que as membranas das águas-vivas que residem nas profundezas são feitas de moléculas lipídicas com formas completamente diferentes das de suas contrapartes de águas rasas. Três quartos dos lipídios nas águas-vivas de águas profundas eram plasmalogênios, um tipo de lipídio curvo que é mais raro em animais de superfície. Na pressão do mar profundo, a molécula curva se adapta ao formato exato necessário para suportar uma membrana celular resistente, porém dinâmica.
“É um artigo incrível… com implicações bem profundas”, disse Douglas Bartlett (abre uma nova aba), que estuda como os micróbios sustentam a vida em profundidade e pressão na Universidade da Califórnia, San Diego, e não estava envolvido no novo estudo. “Eles fornecem outra explicação para como os lipídios de animais do fundo do mar, e provavelmente micróbios do fundo do mar e uma variedade de organismos, são adaptados de uma forma que é específica para a pressão.”
“Eles estão investigando uma área que, em grande parte, não foi explorada”, disse Sol Gruner (abre uma nova aba), que pesquisa biofísica molecular na Universidade Cornell; ele foi consultado para o estudo, mas não foi coautor.
Lipídios de plasmalogênio também são encontrados no cérebro humano, e seu papel nas membranas do fundo do mar pode ajudar a explicar aspectos da sinalização celular. Mais imediatamente, a pesquisa revela uma nova maneira pela qual a vida se adaptou às condições mais extremas do oceano profundo.
Insano na Membrana
As células de toda a vida na Terra são cercadas por moléculas gordurosas conhecidas como lipídios. Se você colocar alguns lipídios em um tubo de ensaio e adicionar água, eles automaticamente se alinham de costas um para o outro: as caudas gordurosas e odiadoras de água dos lipídios se misturam para formar uma camada interna, e suas cabeças amantes da água se organizam para formar as porções externas de uma membrana fina. “É como óleo e água se separando em um prato”, disse Winnikoff. “É universal para os lipídios e é o que os faz funcionar.”
Para uma célula, uma membrana lipídica externa serve como uma barreira física que, como a parede externa de uma casa, fornece estrutura e mantém o interior de uma célula dentro. Mas a barreira não pode ser muito sólida: ela é cravejada de proteínas, que precisam de algum espaço de manobra para realizar suas várias tarefas celulares, como transportar moléculas através da membrana. E às vezes uma membrana celular se solta para liberar produtos químicos no ambiente e então se funde novamente.
Para que uma membrana seja saudável e funcional, ela deve ser resistente, fluida e dinâmica ao mesmo tempo. “As membranas estão se equilibrando bem no limite da estabilidade”, disse Winnikoff. “Mesmo que tenha essa estrutura muito bem definida, todas as moléculas individuais que compõem as folhas de cada lado – elas estão fluindo umas em volta das outras o tempo todo. Na verdade, é um cristal líquido.”
Uma das propriedades emergentes dessa estrutura, ele disse, é que o meio da membrana é altamente sensível à temperatura e à pressão – muito mais do que outras moléculas biológicas, como proteínas, DNA ou RNA. Se você resfriar uma membrana lipídica, por exemplo, as moléculas se movem mais lentamente, “e então, eventualmente, elas simplesmente se encaixam”, disse Winnikoff, como quando você coloca azeite de oliva na geladeira. “Biologicamente, isso geralmente é uma coisa ruim.” Os processos metabólicos param; a membrana pode até rachar e vazar seu conteúdo.
Para evitar isso, muitos animais adaptados ao frio têm membranas compostas de uma mistura de moléculas lipídicas com estruturas ligeiramente diferentes para manter o cristal líquido fluindo, mesmo em baixas temperaturas. Como a alta pressão também desacelera o fluxo de uma membrana, muitos biólogos presumiram que as membranas de águas profundas eram construídas da mesma maneira.
Mas acontece que esses pesquisadores não estavam obtendo o quadro completo. Seria necessária uma colaboração inesperada entre bioquímicos e biólogos marinhos, e tecnologia mais avançada, para ver que as membranas de águas profundas haviam evoluído uma maneira diferente de seguir o fluxo.
Indo fundo
As águas-vivas-de-pente, ou ctenóforos, são predadores vorazes em corpos frágeis. Eles são os maiores animais que nadam com cílios, que são alinhados em fileiras conhecidas como pentes, e se alimentam de uma ampla variedade de presas. Evidências genéticas(abre uma nova aba) sugerem que eles foram os primeiros organismos a se ramificarem da árvore animal em seu próprio caminho evolutivo. Embora se assemelhem a águas-vivas(abre uma nova aba) em alguns aspectos, os humanos são, na verdade, mais intimamente relacionados às águas-vivas do que os ctenóforos. E eles colonizaram com sucesso todos os tipos de habitats oceânicos, de águas superficiais a fossas oceânicas, e dos trópicos aos polos.
Você esperaria que um grupo tão abrangente fosse adaptável, e de fato as águas-vivas-de-pente das profundezas são construídas de forma diferente daquelas que vivem perto da superfície do oceano. “Você coleta os caras das profundezas, e os traz para a superfície, e eles simplesmente se desfazem”, disse Bartlett. “Eles simplesmente derretem. É realmente muito dramático.” Da mesma forma, se aqueles adaptados a águas rasas acabam em profundidade, eles batem seus cílios cada vez mais rápido e eventualmente morrem. Mas ninguém realmente sabia as diferenças moleculares que os separavam.
Em 2018, Haddock, um especialista em águas-vivas, participou de uma conferência (abre uma nova aba) sobre a origem dos eucariotos. Depois de assistir Budin apresentar uma pesquisa sobre a resposta das membranas celulares à temperatura, ele abordou o especialista em lipídios. Haddock tinha um aluno de pós-graduação, Winnikoff, que queria estudar adaptações à pressão extrema. Sabia-se que os lipídios são sensíveis à pressão, então as membranas celulares eram um alvo principal para investigação. Eles decidiram colaborar.
Haddock, Budin e Winnikoff começaram coletando águas-vivas de diferentes partes do oceano. Em equipamento de mergulho, Winnikoff cuidadosamente colocou as águas-vivas das águas superficiais da Baía de Monterey em potes. De um dos navios oceanográficos do MBARI, ele ajudou operando um robô de águas profundas para coletar águas-vivas de pente de profundidades de 12.000 pés. Para controlar os efeitos das baixas temperaturas no mar profundo, ele e Budin pediram a amigos que estavam em sua própria expedição para coletar águas-vivas de pente de superfície de águas geladas do Ártico. No total, a equipe coletou 66 animais de 17 espécies relacionadas.
Quando a parte molecular do projeto estava programada para começar, a pandemia já havia chegado. Então Winnikoff montou um experimento em sua garagem. Usando um espectrômetro de fluorescência, ele enviou raios de luz ultravioleta para tubos de ensaio cheios de pequenos glóbulos de material de membrana das criaturas que eles coletaram. Os resultados o deixaram intrigado. As membranas do fundo do mar não se tornaram mais fluidas quando ele aumentou a temperatura – uma resposta considerada universal entre as membranas lipídicas.
Então ele e Budin consultaram Gruner, o ex-diretor do acelerador de partículas de Cornell. Se eles realmente quisessem saber o que estava acontecendo nas membranas, disse Gruner, eles precisariam de raios X poderosos e de alta energia. E ele sabia a fonte perfeita.
Sob pressão
Enterrado 50 pés abaixo dos principais campos de atletismo em Cornell está um síncrotron: um acelerador de partículas que usa um campo elétrico de alta frequência e um campo magnético de baixa frequência para acelerar partículas carregadas. Parte da instalação, que Gruner lutou para estabelecer, poderia muito bem ter sido projetada para estudar membranas celulares de águas profundas. Sua operação de espalhamento de raios X de pequeno ângulo, inaugurada em 2020 (abre uma nova aba), pode não apenas distinguir os detalhes e formas mais finos de moléculas como lipídios, mas também aumentar e diminuir a pressão sob a qual estão.
A equipe também passou por alguma pressão, pois teve que suportar noites inteiras para aproveitar ao máximo seu tempo limitado na instalação. Os poderosos raios X que eles dispararam em suas amostras de lipídios revelaram a imagem mais clara até agora das membranas celulares do abismo. As águas-vivas de pente de águas profundas tinham lipídios de membrana que, em nossa pressão atmosférica padrão, têm um formato mais curvo do que aqueles em membranas celulares de superfície. Os animais tinham uma produção especialmente aumentada do grupo de lipídios conhecidos como plasmalogênios.
“Nessas águas-vivas de pente de águas profundas, [plasmalógenos] podem compor três quartos de todos os lipídios, e estamos falando de todos os lipídios de membrana em todo o corpo do animal, o que é meio louco”, disse Winnikoff. “Fizemos muitas verificações para garantir que não fosse um erro.”
Na superfície, um plasmalogênio tem uma pequena cabeça de fosfato e um par de caudas largas e alargadas, lembrando uma peteca de badminton, disse ele. Mas em alta pressão, as caudas se comprimem para formar a estrutura necessária, resistente, mas dinâmica.
“Eles começam seus lipídios em um formato diferente”, disse Budin. “Então, quando você os comprime, eles ainda mantêm o formato certo de Cachinhos Dourados que você vê em nossas próprias células, mas nessas pressões extremas.” Budin e Winnikoff chamaram essa nova modificação de “adaptação de homeocurvatura”.
Levar uma membrana de plasmalogênio para o fundo do mar é como empurrar uma mola para baixo, disse Bartlett. Na superfície, quando a tensão da mola é liberada, ela se estende dramaticamente. “É quando você pode imaginar as células, suas membranas, se despedaçando.” Enquanto isso, se uma membrana de superfície com lipídios mais retos for trazida para o fundo, ela se comprime demais e se torna rígida demais para funcionar corretamente.
Notavelmente, plasmalogênios curvos não estavam presentes em águas-vivas de pente das águas frias e rasas do Ártico. “A composição da membrana quase restringe os organismos a uma faixa de pressão específica”, disse Peter Meikle (abre uma nova aba), um biólogo de lipídios que trabalha com plasmalogênios no Baker Heart and Diabetes Institute na Austrália e não estava envolvido no estudo.
Mas Budin queria ver esses lipídios em ação, e algo lhe ocorreu durante uma sessão tardia no síncrotron. “No meio da noite, quando você está delirantemente cansado”, ele disse, às vezes você tem uma boa ideia. Ele tropeçou em um artigo(abre uma nova aba) com uma abordagem intrigante para estudar lipídios. Os autores haviam projetado bactérias Escherichia coli para produzir plasmalogênios em suas membranas em vez de seus lipídios normais. Budin percebeu que sua equipe poderia, de forma semelhante, persuadir as bactérias a produzir mais plasmalogênios e pressurizá-las para ver como as membranas se mantinham em células vivas.
Seguindo os métodos do artigo, eles mostraram que as bactérias com membranas de plasmalogênio poderiam de fato tolerar melhor a pressão do que as típicas. Essas membranas experimentais eram compostas de apenas 20% de plasmalogênios, mas era “o suficiente para fazer a diferença”, disse Winnikoff.
Bartlett ficou impressionado que o efeito das formas curvas dos lipídios ocorreu em espécies tão não relacionadas. “O que provavelmente sairá disto é que descobriremos que este princípio de adaptação da homeocurvatura se tornará uma propriedade universal da vida”, disse ele.
Flexibilidade Curvilínea
Os plasmalogênios não se limitam ao fundo do mar. Eles também são encontrados em graus variados em outros organismos, incluindo humanos. A porcentagem de plasmalogênios dentro dos humanos depende do tipo de célula. No fígado, os plasmalogênios constituem 5% dos fosfolipídios. Nos músculos, eles podem variar entre 20% e 40%. E no cérebro, eles constituem cerca de 60%.
Na verdade, a deterioração dos plasmalogênios tem sido associada a distúrbios neurodegenerativos, como a doença de Alzheimer. “As evidências sugerem que os plasmalogênios são mais protetores”, disse Meikle, que estuda os plasmalogênios por causa de suas ligações com a saúde dos mamíferos.
Winnikoff especula que os plasmalogênios podem dar às células nervosas a flexibilidade certa para suas necessidades de comunicação. Para enviar sinais, os neurônios preenchem os sacos celulares com neurotransmissores; então esses sacos se fundem com a membrana celular para liberar os compostos de sinalização para o próximo neurônio. Talvez a estrutura curva dos plasmalogênios torne isso possível, sugeriu Winnikoff.
Meikle gosta da ideia. “Certamente, eles são o principal tipo de formato de cone que permite que as membranas formem esses tipos de curvaturas”, disse ele. À medida que os estudos entendem melhor o papel dos lipídios na função da membrana, as descobertas podem ser relevantes para uma gama mais ampla de membranas.
“Eles abriram mais perguntas do que responderam”, disse Gruner. “Mas espero que isso catalise as pessoas a começarem a pensar e fazer mais experimentos se aprofundando no assunto.”
De fato, Winnikoff, que agora é um pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Harvard, está investigando o quão universal esse mecanismo de adaptação lipídica é em diferentes organismos. Ele começou experimentos para descobrir se os organismos encontrados em fontes hidrotermais – áreas oceânicas profundas onde o magma e a água do mar se encontram – têm adaptações semelhantes.
O que seria realmente interessante, ele acrescentou, seria observar as arqueias, o terceiro ramo da vida. Os lipídios das arqueias se comportam de forma diferente daqueles encontrados em bactérias e eucariotos: eles seguem uma química diferente, disse Winnikoff. “Eles seguem a mesma física””
Divulgação: Itay Budin recebeu financiamento da Simons Foundation(abre uma nova aba), que também financia esta revista editorialmente independente. As decisões de financiamento da Simons Foundation não têm influência em nossa cobertura.
Publicado em 15/09/2024 14h04
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