Dentro de cada célula humana ocorrem feitos extraordinários de organização molecular. Cerca de dois metros e meio de DNA devem ser compactados em um núcleo celular que tenha apenas um décimo da largura de um fio de cabelo humano, mas o DNA deve permanecer acessível o suficiente para executar funções básicas.
Para conseguir isso, o DNA envolve proteínas para formar nucleossomos. Esses nucleossomos são conectados como contas em um cordão e dobrados em fibras de cromatina. As fibras são então pressionadas com mais força para caber dentro do núcleo.
Descubra como o DNA atinge sua forma mais compacta
Durante anos, os pesquisadores não sabiam como ocorria esse nível extra de compactação da cromatina. Em 2019, o investigador do HHMI Michael Rosen e sua equipe do UT Southwestern Medical Center relataram que os nucleossomos produzidos em laboratório se aglomeram naturalmente para formar gotículas sem membrana chamadas condensados. Eles descobriram que esse processo ocorre por meio da separação de fases, fenômeno semelhante à formação de gotículas de óleo na água, que acreditam refletir como a cromatina se condensa nas células vivas.
Os condensados de cromatina são compostos por centenas de milhares de moléculas que se movem rapidamente. Quando se juntam, exibem propriedades emergentes não presentes nas moléculas individuais. Esses comportamentos de grupo determinam como os condensados se formam e como mantêm suas propriedades físicas.
Para compreender estas propriedades em detalhe, os cientistas precisam de observar as fibras da cromatina e os nucleossomas nas profundezas da gota.
A equipe de Rosen, trabalhando com os investigadores do HHMI, Elizabeth Villa, da Universidade da Califórnia, em San Diego; Rosana Collepardo-Guevara, da Universidade de Cambridge; e Zhiheng Yu, do Janelia Research Park do Howard Hughes Medical Institute (HHMI), agora alcançaram esse objetivo.
Imagens de alta resolução revelam estrutura de gotículas
Usando as ferramentas avançadas de imagem do Janelia, os pesquisadores capturaram a visão mais detalhada de como as moléculas estão organizadas dentro dos condensados da cromatina sintética. Essas imagens permitem a observação direta de como as fibras da cromatina e os nucleossomos são compactados em estruturas semelhantes a gotículas. O mesmo método de imagem também é usado para examinar a cromatina dentro das células reais.
Ao combinar essas imagens com simulações de computador e microscopia óptica, a equipe analisou a estrutura molecular e as interações dentro dos condensados sintetizados. Isso permitiu que começassem a revelar como as gotículas se formam e como se comportam.
Uma descoberta importante é que o comprimento do DNA de ligação entre os nucleossomos afeta o arranjo geral da estrutura. Este arranjo determina como as fibras da cromatina interagem e moldam a rede dentro do condensado.
Essas características esclarecem por que algumas fibras de cromatina são mais suscetíveis à separação de fases do que outras e por que os condensados construídos a partir de diferentes tipos de cromatina têm propriedades de materiais diferentes. Os pesquisadores também descobriram que os condensados sintetizados eram muito semelhantes à densa cromatina encontrada nas células.
“Este trabalho permite-nos, pela primeira vez, ligar a estrutura de uma única molécula às propriedades macroscópicas do seu condensado”, disse Rosen. “Tenho certeza de que estamos apenas na ponta do iceberg – nós e outros encontraremos maneiras melhores de desenvolver essas relações estrutura-função na escala mesoscópica (intermediária).”
Um quadro mais amplo para compreender a coesão
Essas descobertas vão muito além da cromatina. O método fornece um modelo para estudar uma variedade de condensados biomoleculares, que são gotículas sem membrana envolvidas em tarefas celulares fundamentais que vão desde a regulação genética até respostas ao estresse.
Compreender como estas estruturas se montam e funcionam também pode ajudar a compreender o que acontece quando a condensação é interrompida, um problema que se pensa contribuir para tudo, desde doenças neurodegenerativas até ao cancro.
“Através deste estudo, compreenderemos melhor como a coagulação anormal leva a diferentes doenças e potencialmente nos ajudará a desenvolver uma nova geração de tratamentos”, disse Huabin Zhou, cientista de pós-doutorado no laboratório de Rosen e principal autor do novo estudo.
