doi.org/10.1038/s41567-024-02597-8
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#Bacteriana
Nova pesquisa revela como as proteínas bacterianas se auto-organizam por destruição, auxiliando no design de materiais sintéticos
Como a matéria, sem vida por definição, se auto-organiza e nos torna vivos? Uma das marcas registradas da vida, a auto-organização, é a formação espontânea e a quebra de matéria biológica ativa. No entanto, enquanto as moléculas entram e saem constantemente da vida, pode-se perguntar como elas “sabem” onde, quando e como se reunir, e quando parar e se desfazer.
Uma equipe de pesquisadores liderada pela professora Andela Šarić e pelo aluno de doutorado Christian Vanhille Campos no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) abordou essas questões no contexto da divisão celular bacteriana.
A simulação computacional da esteira FtsZ mostra a morte de filamentos desalinhados. Crédito: u00a9 Christian Vanhille Campos, Šarić lab, ISTA
Revelando novos mecanismos de montagem de proteínas:
Os pesquisadores desenvolveram um modelo computacional para a montagem de uma proteína chamada FtsZ, um exemplo de matéria ativa. Durante a divisão celular, a FtsZ se automonta em uma estrutura de anel no centro da célula bacteriana em divisão. Este anel FtsZ – chamado de anel de divisão bacteriana – demonstrou ajudar formando uma nova u2018parede’ que separa as células-filhas. No entanto, aspectos físicos essenciais da automontagem da FtsZ permanecem desconhecidos.
Simulação computacional e experimento de microscopia de força atômica (AFM) em montagens in vitro. Crédito: u00a9 Christian Vanhille Campos, Šarić lab, incluindo um vídeo AFM de Philipp Radler, Loose lab, ISTA
Em um novo estudo, publicado recentemente na Nature Physics, modeladores computacionais do grupo Šarić se unem a experimentalistas do grupo de Su00e9amus Holden na Universidade de Warwick, Reino Unido, e do grupo de Martin Loose no ISTA para revelar um mecanismo de automontagem inesperado. Seu trabalho computacional demonstra como os filamentos FtsZ desalinhados reagem quando atingem um obstáculo. Ao u2018morrer’ e se remontar, eles favorecem a formação do anel de divisão bacteriana, uma estrutura filamentosa bem alinhada. Essas descobertas podem ter aplicações no desenvolvimento de materiais sintéticos autocuráveis.
O papel da esteira em estruturas celulares
A FtsZ forma filamentos de proteína que se automontam crescendo e encolhendo em uma rotatividade contínua. Esse processo, chamado de “treadmilling”, é a adição e remoção constantes de subunidades em extremidades opostas do filamento. Várias proteínas demonstraram estar em esteira em várias formas de vida – como bactérias, animais ou plantas. Cientistas já pensaram na esteira como uma forma de autopropulsão e a modelaram como filamentos que se movem para frente. No entanto, esses modelos falham em capturar a rotatividade constante de subunidades e superestimam as forças geradas pela montagem dos filamentos.
Simulação computacional e imagens de células vivas na bactéria Bacillus subtilis. Crédito: u00a9 Christian Vanhille Campos, Šarić lab, ISTA, incluindo imagens de células vivas por Kevin D. Whitley, Holden lab
Assim, Šarić e sua equipe se propuseram a modelar como as subunidades FtsZ interagem e formam filamentos espontaneamente por esteira. Tudo em nossas células está em constante renovação. Portanto, precisamos começar a pensar na matéria ativa biológica do prisma da renovação molecular e de uma forma que se adapte ao ambiente externo, – diz Šarić.
O que eles descobriram foi impressionante. Em contraste com conjuntos autopropulsados “”que empurram as moléculas circundantes e criam um u2018solavanco’ sentido em longas distâncias moleculares, eles viram que os filamentos FtsZ desalinhados começaram a u2018morrer’ quando atingiram um obstáculo. A matéria ativa composta de filamentos mortais não leva o desalinhamento levianamente. Quando um filamento cresce e colide com obstáculos, ele se dissolve e morre,- diz o primeiro autor Vanhille Campos.
Šarić acrescenta, Nosso modelo demonstra que conjuntos de esteira levam à cura local do material ativo. Quando filamentos desalinhados morrem, eles contribuem para uma melhor montagem geral.- Ao incorporar a geometria da célula e a curvatura do filamento em seu modelo, eles mostraram como a morte de filamentos FtsZ desalinhados ajudou formando o anel de divisão bacteriana.
Avanços colaborativos na validação experimental
Impulsionados pelas teorias físicas das interações moleculares, Šarić e sua equipe logo fizeram dois encontros independentes com grupos experimentais que ajudaram a confirmar seus resultados.
Em uma conferência diversa e multidisciplinar chamada u2018Physics Meets Biology’, eles conheceram Su00e9amus Holden, que trabalhou na formação de anéis bacterianos em células vivas. Nesta reunião, Holden apresentou dados experimentais interessantes mostrando que a morte e o nascimento de filamentos FtsZ eram essenciais para a formação do anel de divisão. Isso sugeriu que a esteira teve um papel crucial neste processo.
De forma satisfatória, descobrimos que os anéis FtsZ em nossas simulações se comportaram da mesma forma que os anéis de divisão do Bacillus subtilis que a equipe de Holden fotografou, – diz Vanhille Campos.
Em um golpe de sorte semelhante, a mudança da University College London para a ISTA permitiu que Šarić e seu grupo se unissem a Martin Loose, que estava trabalhando na montagem de filamentos FtsZ em uma configuração experimental controlada in vitro. Eles viram que os resultados in vitro correspondiam de perto às simulações e confirmaram ainda mais os resultados computacionais da equipe. Sublinhando o espírito de cooperação e a sinergia entre os três grupos, Šarić diz: Estamos todos saindo de nossos campos de pesquisa habituais e indo além do que normalmente fazemos. Discutimos e compartilhamos abertamente dados, visões e conhecimento, o que nos permite responder a perguntas que não podemos abordar separadamente.
Implicações para materiais sintéticos autocurativos
A auto-organização da matéria movida por energia é um processo fundamental na física. A equipe liderada por Šarić agora sugere que os filamentos FtsZ são um tipo diferente de matéria ativa que investe energia em rotatividade em vez de motilidade. No meu grupo, perguntamos como criar matéria viva a partir de material não vivo que pareça vivo. Assim, nosso trabalho atual pode facilitar a criação de materiais sintéticos autocurativos ou células sintéticas, – diz Šarić.
Como próximo passo, Šarić e sua equipe buscam modelar como o anel de divisão bacteriana ajuda construindo uma parede que dividirá a célula em duas. Holden e Šarić continuarão a investigar essa questão com a ajuda de uma recente bolsa de 3,7 milhões de euros concedida pelo Wellcome Trust.
Publicado em 31/08/2024 12h20
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